一種基于差分gps的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于差分GPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)獲取方法。由DGPS測(cè)量載體加速度，經(jīng)低通濾波得到加速度測(cè)量值；根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)解算方程，在已知比力信息和載體加速度的情況下，得到地理系表示的重力矢量利用DGPS提供的經(jīng)緯度信息以及初始經(jīng)度信息，確定地理系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣，將地理系表示的重力矢量轉(zhuǎn)換到慣性系，得到慣性系重力矢量；利用慣性空間的重力矢量求解重力矢量漂移角度和緯度；經(jīng)過(guò)兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換矩陣在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，利用陀螺儀采集角速率信號(hào)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量，更新四元數(shù)，通過(guò)四元數(shù)實(shí)現(xiàn)的更新；根據(jù)和確定系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，得到載體的航向和姿態(tài)角，從而確保姿態(tài)信息的精度滿足艦船導(dǎo)航的需求。
【專利說(shuō)明】—種基于差分GPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS的【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及的是一種基于差分GPS(Differential GPS, DGPS)的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導(dǎo)航是利用慣性敏感器、基準(zhǔn)方向及最初位置來(lái)確定載體的姿態(tài)、位置和速度的自主式推算導(dǎo)航方法。它不受環(huán)境、載體機(jī)動(dòng)和無(wú)線電干擾的影響，能連續(xù)提供全部導(dǎo)航參數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)具有較高的相對(duì)精度，是最主要的自主導(dǎo)航手段。在信息化條件下的未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，導(dǎo)航設(shè)備作為一種重要的傳感器，導(dǎo)航參數(shù)精度對(duì)于贏得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)起關(guān)鍵性制約作用。
[0003]目前，提高慣性器件精度和完善導(dǎo)航算法是改進(jìn)導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航性能的主要途徑:對(duì)于提高慣性器件精度而言，不僅器件本身上升空間較小，而且為提高精度付出的代價(jià)與改進(jìn)效果相比，其性價(jià)比較低，所以從硬件的角度來(lái)提高系統(tǒng)導(dǎo)航性能就顯得優(yōu)勢(shì)較??；設(shè)法完善導(dǎo)航解算方法以提高導(dǎo)航精度是近幾年來(lái)慣導(dǎo)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但只依靠慣導(dǎo)系統(tǒng)依然無(wú)法回避導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累這一缺點(diǎn)，很難達(dá)到長(zhǎng)航時(shí)的應(yīng)用需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種方法簡(jiǎn)單，適用范圍廣，精度高的基于差分GPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)獲取方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]步驟一:利用DGPS測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)加速度，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后得到一定分辨率和精度的載體加速度測(cè)量值；
[0007]步驟二:由慣導(dǎo)系統(tǒng)解算方程，在已知比力信息和載體加速度的情況下，得到地理系表示的重力矢量g%所述載體加速度包括哥氏加速度和離心加速度；
[0008]步驟三:利用DGPS提供的經(jīng)緯度信息即經(jīng)度λ和緯度P以及初始經(jīng)緯度信息即
初始經(jīng)度λ 0和初始緯度φ)確定地理系t到慣性系i的轉(zhuǎn)換矩陣C將地理系表示的重力矢量轉(zhuǎn)換到慣性系，得到慣性系重力矢量￥ ；
[0009]步驟四:利用由地球旋轉(zhuǎn)引起的表觀重力的慢漂現(xiàn)象，根據(jù)步驟三獲取的慣性系重力矢量，求解重力矢量漂移角度α和緯kW
[0010]步驟五:在已知重力矢量在赤道平面漂移角度α以及重力矢量與赤道平面的夾角β的情況下，經(jīng)過(guò)兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換矩罔
[0011]步驟六:在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，利用陀螺儀采集角速率信號(hào)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量，通過(guò)更新四元數(shù)Q，實(shí)現(xiàn)載體系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣Cl的更新；
[0012]步驟七:根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣Cf和載體系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣確定系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣q，從而得到載體的姿態(tài)角，所述載體的姿態(tài)包括航向、縱搖和橫搖。
[0013]本發(fā)明提供了一種基于DGPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方法，旨在解決傳統(tǒng)的姿態(tài)解算方法會(huì)引入速度、位置信息，且存在舒勒周期和傅科周期，隨時(shí)間積累會(huì)引入較大誤差這一問(wèn)題。
[0014]本發(fā)明利用加速度計(jì)和DGPS分別測(cè)量比力信息和載體加速度，由導(dǎo)航解算方程得到重力矢量g%根據(jù)GPS提供位置信息計(jì)算，將重力矢量轉(zhuǎn)換到慣性系，利用慣性空間
的重力矢量求解重力矢量漂移角度和緯度得到轉(zhuǎn)換矩陣，再由陀螺儀采集角速率信號(hào)
計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量更新四元數(shù)Q，完成Cb的更新，從而確定系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣C=，即獲取載
體的姿態(tài)信息。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016]1、本發(fā)明提供的姿態(tài)解算方法不局限于特定的導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)論是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)還是捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，例如，本地水平指北平臺(tái)式系統(tǒng)、捷聯(lián)式系統(tǒng)、空間穩(wěn)定平臺(tái)式系統(tǒng)等。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，適用范圍廣，提供了一種高精度姿態(tài)解算方法。
[0017]2、本發(fā)明避免了傳統(tǒng)的姿態(tài)解算方法會(huì)引入速度、位置信息，且存在舒勒周期和傅科周期，隨時(shí)間積累會(huì)引入較大誤差的問(wèn)題。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0019]圖2是本發(fā)明提供的重力矢量相對(duì)慣性空間慢漂示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明提供的基于DGPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0022]本發(fā)明的一種基于DGPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算方法，包括以下幾個(gè)步驟:
[0023]步驟一:利用DGPS測(cè)量載體加速度，經(jīng)過(guò)低通濾波可得到一定分辨率的載體加速
度測(cè)量值。
[0024]具體為，載體運(yùn)動(dòng)加速度的計(jì)算通常采用位置微分法，即對(duì)GPS載波相位雙差動(dòng)態(tài)定位結(jié)果進(jìn)行連續(xù)兩次數(shù)字差分而得到載體加速度。由于GPS載波相位觀測(cè)量受接收機(jī)噪聲、多路徑效應(yīng)、對(duì)流層和平流層的大氣層延遲、星歷誤差等因素的影響，而數(shù)字差分將放大高頻噪聲，因此需要利用低通濾波器濾除高頻噪聲以得到一定分辨率的高精度載體運(yùn)動(dòng)加速度。
[0025]步驟二:根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)解算方程，在已知比力信息和載體加速度(包括哥氏加速度和離心加速度)的情況下，可以得到地理系表示的重力矢量S。
[0026]具體為，設(shè)慣導(dǎo)系統(tǒng)的解算坐標(biāo)系為a，測(cè)量參考坐標(biāo)系為m，存在通用的慣導(dǎo)系統(tǒng)解算方程，即[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種基于差分GPS的慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)獲取方法，其特征是: 步驟一:利用DGPS測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)加速度，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后得到一定分辨率和精度的載體加速度測(cè)量值； 步驟二:由慣導(dǎo)系統(tǒng)解算方程，在已知比力信息和載體加速度的情況下，得到地理系表示的重力矢量g%所述載體加速度包括哥氏加速度和離心加速度； 步驟三:利用DGPS提供的經(jīng)緯度信息即經(jīng)度λ和緯度P以及初始經(jīng)緯度信息即初始經(jīng)度λ 0和初始緯度％，確定地理系t到慣性系i的轉(zhuǎn)換矩陣Cit，將地理系表示的重力矢量轉(zhuǎn)換到慣性系，得到慣性系重力矢量￥ ; 步驟四:利用由地球旋轉(zhuǎn)引起的表觀重力的慢漂現(xiàn)象，根據(jù)步驟三獲取的慣性系重力矢量，求解重力矢量漂移角度α和緯度妒； 步驟五:在已知重力矢量在赤道平面漂移角度α以及重力矢量與赤道平面的夾角β的情況下，經(jīng)過(guò)兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換矩陣C; 步驟六:在慣導(dǎo)系統(tǒng)中，利用陀螺儀采集角速率信號(hào)計(jì)算旋轉(zhuǎn)矢量，通過(guò)更新四元數(shù)Q，實(shí)現(xiàn)載體系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣的更新； 步驟七:根據(jù)轉(zhuǎn)換矩陣d和載體系到慣性系的轉(zhuǎn)換矩陣^，確定系統(tǒng)的姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣q，從而得到載體的姿態(tài)角，所述載體的姿態(tài)包括航向、縱搖和橫搖。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103900565SQ201410076441
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】周廣濤, 郝勤順, 姜鑫, 趙博, 孫艷濤, 梁宏, 于春陽(yáng), 夏秀瑋, 劉學(xué)敏, 金詩(shī)宇 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)