一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法技术

本发明专利技术涉及一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法,其特征在于：利用高精度重力场球谐模型直接计算对准点的重力扰动值的分量，并利用四元数法将其投影至导航坐标系系下进行补偿，具体包括：开始前标定，估计出陀螺常值漂移和加速度计常值零偏；通过正常重力模型计算初始对准点的正常重力矢量；补偿重力扰动后得真实重力矢量在n系下的投影；绕旋转轴u转动角度θ后，得到导航坐标系n

【技术实现步骤摘要】
一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法


[0001]本专利技术属于惯性导航
，涉及一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法。

技术介绍

[0002]惯性导航系统是一种完全自主式的定位定向设备，可不依赖外界任何有源信息即可确定载体的姿态、速度和位置信息，广泛应用于导航定位、工程测量等众多领域。其主要是利用惯性测量元件陀螺仪和加速度计自主测量载体相对惯性空间的角速度和加速度信息，并在导航坐标系下进行积分解算得出载体的姿态、速度和位置信息。初始对准是惯性导航系统进行导航定位的关键一步，其主要是确定初始时刻载体的姿态矩阵，初始对准的精度将直接影响导航定位的精度。在惯性导航系统中，为了方便导航计算，通常将人为定义在参考椭球体法线的正常重力矢量代替大地水准面垂线的真实重力矢量进行计算，真实重力矢量与正常重力矢量之差称为重力扰动矢量，方向上的差异称之为垂线偏差，垂线偏差会直接影响初始对准性能。对高精度惯性导航系统而言，这种误差往往是不可忽视的，需要加以补偿。
[0003]在本专利技术以前的现有技术中，垂线偏差补偿方法主要分为实测垂线偏差补偿和基于重力场模型补偿两种方式。利用重力梯度仪和矢量重力仪实测的方式受成本高、技术不够完善等诸多条件限制，无法从根本上解决垂线偏差测量精度的问题，致使补偿效果有限，无法应用于工程实践。北京航空航天大学房建成等发表论文“An Accurate Gravity Compensation Method for High
‑
Accuracy Airborne POS”，提出了一种直接做差
‑
建模的方法，该方法在一定程度上提升了系统精度，但还是无法从根本上解决垂线偏差测量精度问题，影响补偿效果。目前全球已有多个高精度重力场球谐模型公布，国内外学者也纷纷利用球谐模型进行垂线偏差补偿分析，北京航空航天大学王晶等发表论文“An Online Gravity Modeling Method Applied for High Precision Free
‑
INS”,提出了一种简化的二维二阶多项式模型，补偿了导航位置误差，但主要是进行了垂线偏差对导航解算的影响分析，对初始对准的补偿研究较少，且现有的补偿初始对准的方法都是在以椭球法线为天向的导航坐标系下进行补偿解算的，而加速度计实测的是真垂线方向上的真实重力，在算法上存在补偿解算的坐标系与测量器件实测的坐标系不一致的情况，影响初始对准性能。申请号为201410697203.0，201710894464.5的中国专利都采用EGM2008重力场球谐模型计算垂线偏差数据，但采用以椭球法线为天向的导航坐标系下进行补偿解算，存在坐标系不一致的情况，影响对准性能。海军工程大学常路宾等在2019年IEEE仪器与测量杂志发表论文“Gravity Disturbance Compensation for Inertial Navigation System”，分析了水平重力扰动补偿惯性导航系统中，垂线偏差和加速度计误差的耦合关系和补偿后位置精度的提升，但并有直接分析垂线偏差补偿后对惯性导航系统初始对准性能的提升问题。

技术实现思路

[0004]针对上述技术现状，本专利技术的目的在于提供一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法，采用最新发布的EIGEN
‑
6C4重力场球谐模型计算垂线偏差，在以真垂线方向为天向的导航坐标系下解算载体的方位角，提高惯性导航系统初始对准精度和性能。
[0005]现将本专利技术技术解决方案叙述如下：
[0006]根据上述专利技术目的，本专利技术提供一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法,所述的重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法是指凝固坐标系的垂线偏差补偿粗对准和补偿卡尔曼滤波精对准相结合的方法，其特征在于：利用高精度重力场球谐模型EIGEN
‑
6C4直接计算对准点的重力扰动值在n系下的分量，并利用四元数法将其投影至导航坐标系n
′
系下进行补偿，最终求得载体天文方位角，提高对准性能，具体包括以下步骤：
[0007]步骤1：在惯导自对准开始前，利用转台对惯性导航系统进行标定，精确地估计出陀螺常值漂移和加速度计常值零偏，并在输出数据中扣除相应常值误差；
[0008]步骤2：定义导航坐标系n系和n
′
系，n系表示以参考椭球面法线为天向建立的东北天坐标系，n
′
系表示以真垂线方向(真实重力方向)为天向建立的东北天导航坐标系，静基座初始对准时，载体位置坐标精确已知，地理纬度L，经度λ，高程h，通过WGS
‑
84正常重力模型计算初始对准点的正常重力矢量γ
n
；
[0009]γ
n
＝[0 0
ꢀ‑
γ]T
ꢀꢀ
(1)
[0010]步骤3：构建EIGEN
‑
6C4高精度重力场球谐模型，输入惯性导航系统初始对准点纬度L、经度λ和高程h，计算重力扰动在n系下的分量δg
n
，补偿重力扰动后，可得真实重力矢量在n系下的投影为g
n
；
[0011]g
n
＝γ
n
+δg
ꢀꢀ
(2)
[0012]步骤4：将步骤3计算得出的补偿重力扰动后的矢量g
n
绕旋转轴u转动角度θ后，得到导航坐标系n
′
系下的真实重力扰动矢量g
n
′
＝[0 0
ꢀ‑
g]T
，具体通过以下步骤实现；
[0013]步骤4.1：根据步骤3计算出的重力扰动矢量δg
n
，计算垂线偏差η，ξ，其中，计算垂线偏差η，ξ，其中由图1可知，根据三角函数关系可计算旋转轴u＝[u
x u
y u
z
]T
，其中u
z
＝0；
[0014]步骤4.2：根据图1可计算转动角度
[0015]步骤4.3：根据旋转轴u和转动角θ可构建坐标系n与n
′
系的四元数Q＝[q
0 q
1 q
2 q3]T
，其中
[0016]步骤4.4：由旋转四元数可由下式计算姿态转换矩阵
[0017][0018]步骤5：计算出的姿态转换矩阵求得垂线偏差补偿后的真实重力矢量g
n
′
[0019]g
n
′
＝C
n
′
n
g
ꢀꢀ
(4)
[0020]步骤6：将补偿后的真实重力矢量g
n
′
用于基于凝固坐标系的粗对准方法中，得到载体姿态矩阵粗略估值该解算过程均在导航坐标系n
′
系下进行，b表示载体坐标系；
[0021]步骤6.1：i
n...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法,所述的重力场球谐模型补偿垂线偏差的惯导自对准方法是指凝固坐标系的垂线偏差补偿粗对准和补偿卡尔曼滤波精对准相结合的方法，其特征在于：利用高精度重力场球谐模型直接计算对准点的重力扰动值在n系下的分量，并利用四元数法将其投影至导航坐标系n
′
系下进行补偿，最终求得载体天文方位角，提高对准性能，具体包括以下步骤：步骤1：在惯导自对准开始前，利用转台对惯性导航系统进行标定，精确地估计出陀螺常值漂移和加速度计常值零偏，并在输出数据中扣除相应常值误差；步骤2：定义导航坐标系n系和n
′
系，n系表示以参考椭球面法线为天向建立的东北天坐标系，n
′
系表示以真垂线方向(真实重力方向)为天向建立的东北天导航坐标系，静基座初始对准时，载体位置坐标精确已知，地理纬度L，经度λ，高程h，通过正常重力模型计算初始对准点的正常重力矢量γ
n
；γ
n
＝[0 0
ꢀ‑
γ]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)步骤3：构建高精度重力场球谐模型，输入惯性导航系统初始对准点纬度L、经度λ和高程h，计算重力扰动在n系下的分量δg
n
，补偿重力扰动后，可得真实重力矢量在n系下的投影为g
n
；g
n
＝γ
n
+δg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)步骤4：将步骤3计算得出的补偿重力扰动后的矢量g
n
绕旋转轴u转动角度θ后，得到导航坐标系n
′
系下的真实重力扰动矢量g
n
′
＝[0 0
ꢀ‑
g]
T
；步骤5：计算出的姿态转换矩阵求得垂线偏差补偿后的真实重力矢量g
n
′
步骤6：将补偿后的真实重力矢量g
n
′
用于基于凝固坐标系的粗对准方法中，得到载体姿态矩阵粗略估值该解算过程均在导航坐标系n
′
系下进行，b表示载体坐标系；步骤7：将补偿后的真实重力矢量g
n
′

【专利技术属性】
技术研发人员：张志利，周召发，郝诗文，冯磊，赵军阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军火箭军工程大学，
类型：发明
国别省市：