一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，將地球作為球體，通過建立逆坐標系，將傳統坐標系下載體的導航信息轉化到逆坐標系中，得到新坐標系下的載體導航信息；建立基于逆坐標系的新的地理坐標系，通過建立速度加姿態的快速傳遞對準匹配方法，建立新的坐標系下的傳遞對準的狀態方程和量測方程，建立卡爾曼濾波方程，來對主子慣導的失準角進行估計，判定極區傳遞對準的可行性。本發明解決了艦船在極區導航時，基于傳統地理坐標系的傳遞對準方法無法使用的問題，具有自主，靈活簡單，具有一定導航精度的特點，更適用于艦載武器在高緯度以及極區的發射。
【專利說明】一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，可用于艦船的艦載武器高緯度以及在極區的發射和艦船在極區的能源勘測導航。
【背景技術】
[0002]傳遞對準技術是動基座初始對準的一種，傳遞對準涉及到兩套慣導系統。在艦船上或者飛機上，都會安裝一套高精度的慣導系統，作為艦船、飛機的主慣導系統(Mainlnertial Navigation System簡寫為MINS)。艦載武器裝備以及機載導彈等都有自己的一套慣導系統，通常它們的精度不是很高，相對于主慣導系統把它們稱為子慣導系統(Slave Inertial Navigation System簡寫為SINS)。在捷聯式慣性導航系統中，初始對準就是確定捷聯矩陣的初值，傳遞對準就是利用高精度主慣導系統的導航信息來校準未對準的子慣導系統，來確定子慣導系統的捷聯矩陣初值。
[0003]傳遞對準主要可以分為兩大類:計算參數匹配和測量參數匹配。常用的匹配方法有:速度匹配法、比力匹配法、角速度匹配法、姿態匹配法、位置匹配法等，其中速度和位置匹配法是目前較為成熟的傳遞對準匹配方法，已經應用在了很多武器裝備上。此外還有復合參數匹配方法如:速度加角速度匹配法、速度加姿態匹配法等，目前來看速度加姿態匹配法是迄今為止匹配速度最快的一中匹配方法，也叫做快速傳遞對準。
[0004]速度加姿態匹配傳遞對準是迄今為止對準速度最快的一種匹配方法。速度加姿態匹配利用了混合參數信息進行匹配，提高了系統的可觀測度。速度加姿態匹配傳遞對準結合了速度誤差匹配和姿 態差匹配的特點，在對準時運載體不需要長做長時間的機動，只需要配合做機抖動作就能完成對準。而且對準時間短，在10秒內姿態精度可達到Imrad以下。因此速度加姿態匹配傳遞對準也叫做快速傳遞對準，由于對準時間短，對準精度高，快速傳遞對準在戰術武器中的應用越來越受到研究人員的重視。速度加姿態匹配傳遞對準在姿態匹配的基礎上引入速度信息，以主、子慣導系統的速度誤差和姿態差作為觀測量，通過卡爾曼濾波估計出主、子慣導系統之間的安裝誤差角。
[0005]極區導航是一種在極區附近進行載體定位導航技術。當船舶在極區附近航行時，應用傳統的經緯度坐標系對艦船進行定位會有很大的困難。在極區經度線會快速的收斂，艦船在作東西航行時，經度的變化率很大，這就要求給方位陀螺儀施加過大的控制力矩。艦船如果作南北航行時，穿越極點，航向會作180°轉變。所以在極點，方向就失去了意義。以傳統的經緯度坐標系設計的導航系統也就無法在高緯度地區有效地工作。為了克服基于傳統經緯度坐標系設計的慣導系統無法有效工作的問題，出現了自由方位慣導系統和游移方位慣導系統。但是在計算位置和指令角速率時，仍然具有fSWsee?5,尤其是當緯度f接近或等于90°時，對于計算機而言，會產生過滿溢出，導致計算機停機。因此解決極區導航定位，需要重新考慮坐標系的建立。
【發明內容】
[0006]本發明解決的關鍵問題是，在進行極區導航時，對于傳統坐標系下的傳遞對準方法不能夠在高緯度以及極區附近進行傳遞對準的不足，提出了一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，通過建立逆坐標系，將傳統坐標系下的基本導航信息換算到逆坐標系下，建立基于逆坐標系的地理坐標系，根據傳統的傳遞對準的匹配方法，推導出基于逆坐標系的速度加姿態匹配對準的速度誤差微分方程和主子慣導的失準角微分方程，克服了艦船在進行極區導航時，基于傳統地理坐標系的傳遞對準方法不再適用的問題，大大的提高了艦船導航系統在高緯度以及極區附近的實現傳遞對準的可行性。
[0007]本發明的技術方案為:
[0008]一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，建立一個新的坐標系一逆坐標系，結合傳統坐標系的傳遞對準匹配方法，建立基于逆坐標系的速度加姿態匹配傳遞對準的微分方程，建立速度加姿態匹配的狀態方程和量測方程，利用卡爾曼濾波方法得到載體在高緯度以及極區附近航行進行傳遞對準時主子慣導之間的失準角估計值。首先通過建立基于逆坐標系的新的地理坐標系，將傳統坐標系下的高緯度以及極區轉化為逆坐標系下的中低緯度區域，利用數學幾何的思想，將傳統坐標系下載體的位置、航向信息換算到逆坐標系下，利用獲得的相關導航信息，以速度加姿態匹配的快速傳遞對準方法，推導基于逆坐標系下的極區傳遞對準微分方程，建立速度誤差和主子慣導失準角的微分方程，建立卡爾曼濾波模型對主子慣導的失準角進行濾波估計，在一定程度上克服了艦船在極區無法進行傳遞對準的問題，提高了極區傳遞對準的精度。
[0009]具體的步驟如下:
[0010](I)建立逆坐標系，根據坐標轉換的原理將傳統的地球坐標系轉化為逆坐標系；
[0011](2)建立基于逆坐標系下的新的地理坐標系；
[0012](3)將傳統地球坐標系下的載體基本位置信息，航向信息轉換到逆坐標系，通過幾何運算得到逆坐標系下載體的經緯度信息和航向信息；
[0013](4)利用建立的新地理坐標系，將地球自轉角速度和新地理坐標系旋轉角速度投影到新的地理坐標系下；
[0014](5)按照上述步驟(I)?(4)，得到逆坐標系下載體的位置信息，航向信息，以及地球自轉角速度和新地理坐標系旋轉角速度在新的地理坐標系的坐標投影，建立基于逆坐標系下的速度加姿態的快速傳遞對準微分方程；
[0015](6)利用建立的速度加姿態微分方程，建立卡爾曼濾波模型，對主子慣導的失準角進行濾波估計。
[0016]本發明的基本原理是:利用所建立的逆坐標系將傳統經緯度坐標系下的高緯度以及極區轉化為逆坐標系定義下的中低緯度區域，通過兩個坐標系之間導航信息的轉化，可以得到逆坐標系下載體的基本導航信息，如圖1、2所示，通過基于逆坐標系下新地理坐標系的建立，可得到地球自轉角速度，以及載體航行角速度在新的地理坐標系下的投影坐標，如圖3所示，再結合傳統坐標系下傳遞對準的匹配方法，推導基于逆坐標系，極區傳遞對準的速度誤差方程和失準角誤差方程，利用速度加姿態匹配的方法，建立傳遞對準的狀態方程模型，并以主子慣導之間的速度差和姿態差為觀測量，建立傳遞對準的量測方程，最后利用卡爾曼濾波方法，建立速度加姿態匹配傳遞對準的卡爾曼濾波模型，實現對主子慣導之間實際失準角的濾波估計。[0017]本發明的優勢在于:解決了傳統經緯度坐標系下，艦載武器在高緯度以及極區附近進行發射時無法有效進行傳遞對準的缺陷，設計了逆坐標系下傳遞對準方案，利用導航信息和主子慣導之間的動力學方程，建立極區速度加姿態匹配的傳遞對準微分方程，設計了速度加姿態匹配的卡爾曼濾波器，估計主子慣導之間的失準角，解決了艦載武器在高緯度以及極區附近區域進行傳遞對準的嚴重發散，影響導航精度的問題，提高了慣導系統的適用范圍及其在高緯度地區的傳遞對準精度，使其更加適用于我國艦船在極地的資源勘測和戰略瞰制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1載體在傳統坐標系和逆坐標系下的位置關系圖；
[0019]圖2傳統坐標系和逆坐標系之間的航向關系圖；
[0020]圖3逆坐標系下建立的新地理坐標系；
[0021]圖4為本發明方法的流程圖
【具體實施方式】
[0022]以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。
[0023]本發明的具體實施流程為，先由坐標轉換原理建立逆坐標系，然后建立基于逆坐標系的新地理坐標系，利用載體在兩個坐標系之間的坐標關系以及球面幾何原理，獲得逆坐標系下的導航信息，利用導航信息，建立主子慣導的速度和姿態誤差微分方程，然后利用所得到的微分方程，建立速度加姿態匹配的快速傳遞對準狀態方程和量測方程，再設計卡爾曼濾波器的濾波模型，估計載體在極區進行傳遞對準時主子慣導之間的失準角。
[0024]具體的實施步驟如下:
[0025]1.傳統經緯度坐標系的相關信息
[0026]假設地球模型為球體，載體在傳統坐標系下的位置坐標為P (X，y, z)，經緯度坐標為，如圖1所示。
[0027]地球半徑:R= 6378393.0m
[0028]地球自轉角速度:Ω= 7.27220417e-5
[0029]2.建立逆坐標系
[0030]地球的地心赤道慣性系不變，逆坐標系將傳統的經緯度坐標系XYZ通過坐標軸旋轉的原理，通過兩次旋轉而得到逆坐標系皿；第一次旋轉是將傳統坐標系下的極軸Z繞X軸旋轉，一直旋轉到傳統坐標系Y軸的位置，得到逆坐標系的極軸f ；第二次旋轉時將傳統坐標系下的Y軸旋轉到傳統坐標系下X軸的位置，得到逆坐標系的F軸，根據右手坐標系準則得到逆坐標系皿,其中X軸穿過極點。
[0031]在這里假設載體在逆坐標系下的位置坐標為經緯度坐標為如圖1所示。
[0032]3.建立基于逆坐標系下的新地理坐標系
[0033]如圖3所示，在P點所建立的新地理坐標系和傳統的地理坐標系在同一平面，區別就在于方向北發生了變化，新地理坐標系的地理北指向f。
[0034]4.導航信息的換算
[0035](I)逆坐標系下的經緯度換算
[0036]已知載體在P點的傳統坐標系下的經緯度信息為位置坐標為(X，y, z);假
設載體在逆坐標系下P點的經緯度信息為關，位置坐標為(W)，載體兩個坐標系的位
置如圖1所示，利用經緯度坐標和位置坐標之間的關系，利用逆坐標系和傳統坐標系之間的位置關系，可以得到逆坐標系下的經緯度坐標為:
【權利要求】
1.一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，其特征在于，包括下列幾個步驟: (1)建立逆坐標系，根據坐標轉換的原理將傳統的地球坐標系轉化為逆坐標系； (2)建立基于逆坐標系下的新的地理坐標系； (3)將傳統地球坐標系下的載體基本位置信息，航向信息轉換到逆坐標系，通過幾何運算得到逆坐標系下載體的經緯度信息和航向信息； (4)利用建立的新地理坐標系，將地球自轉角速度和新地理坐標系旋轉角速度投影到新的地理坐標系下； (5)按照上述步驟(I)~(4)，得到逆坐標系下載體的位置信息、航向信息以及地球自轉角速度和新地理坐標系旋轉角速度在新的地理坐標系的坐標投影，建立基于逆坐標系下的速度加姿態的快速傳遞對準微分方程； (6)利用建立的速度加姿態的快速傳遞對準微分方程，建立卡爾曼濾波模型，對主子慣導的失準角進行濾波估計。
2.根據權利要求1所述的一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，其特征在于:所述步驟(3)中將傳統坐標系下載體的位置和航向信息換算到逆坐標系下載體的新的位置和航向信息。
3.根據權利要求1所述的一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，其特征在于:所述步驟(4)中將地球自轉角速度和新地理坐標系旋轉角速度投影到新的地理坐標系F，得到兩者在逆坐標定義下建立的地理坐標系的投影坐標。.
4.根據權利要求1所述的一種基于逆坐標系的極區傳遞對準方法，其特征在于:所述步驟(5)中利用載體從傳統坐標系的導航信息換算得到逆坐標系下的位置、航向信息，在逆坐標系下采用速度加姿態的快速傳遞匹配方法，建立速度加姿態匹配傳遞對準的誤差微分方程，
【文檔編號】G01C25/00GK103471614SQ201310375491
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月26日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】孫楓, 楊祥龍, 劉新源, 李敬春, 李明宇, 葉攀, 楊曉龍, 趙維珩, 阮雙雙, 楊蛟龍 申請人:哈爾濱工程大學