本發(fā)明涉及無人機(jī)導(dǎo)航，尤其是一種用于無人機(jī)的高精度sins空中標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

1、捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)sins相比于平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)具有體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為我國(guó)無人機(jī)、有人機(jī)的主流機(jī)載慣性導(dǎo)航設(shè)備。然而，由于sins需要固連到飛機(jī)機(jī)體上，隨著工作時(shí)間的增加，系統(tǒng)的導(dǎo)航性能會(huì)逐漸下降，甚至導(dǎo)致導(dǎo)航精度無法滿足使用的指標(biāo)要求。因此，需要對(duì)sins進(jìn)行標(biāo)定，補(bǔ)償相應(yīng)的誤差項(xiàng)，以滿足后續(xù)的使用需求。但是我國(guó)針對(duì)于機(jī)載sins的標(biāo)定方法主要是通過轉(zhuǎn)臺(tái)的方式進(jìn)行定期標(biāo)定，這種方法存在效率低下、成本較高等問題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)sins的標(biāo)定需要將慣導(dǎo)系統(tǒng)重新從飛機(jī)上拆卸下來，并借助高精度轉(zhuǎn)臺(tái)等專業(yè)設(shè)備通過復(fù)雜的標(biāo)定流程，并在此期間的拆卸、運(yùn)輸?shù)葐栴}也會(huì)帶來諸多不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種用于無人機(jī)的高精度sins空中標(biāo)定方法，該標(biāo)定方法僅需搭載傳感器并采集一個(gè)架次的傳感器輸出數(shù)據(jù)就可以完成sins空中標(biāo)定，能夠非常準(zhǔn)確的估計(jì)出sins的零位，標(biāo)定精度高。

2、一種用于無人機(jī)的高精度sins空中標(biāo)定方法，標(biāo)定流程如下：

3、s1、在無人機(jī)上搭載sins及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；

4、s2、將產(chǎn)品進(jìn)行上電，采集整個(gè)架次飛行的sins和衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)原始輸出數(shù)據(jù)，待sins和衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)輸出有效后，進(jìn)行初始化和對(duì)準(zhǔn)；

5、s3、當(dāng)初始化和對(duì)準(zhǔn)完成后，進(jìn)行實(shí)時(shí)的純慣性導(dǎo)航，依據(jù)步驟s3中sins輸出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的更新；

6、s4、在導(dǎo)航過程中，當(dāng)采集到有效的衛(wèi)導(dǎo)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，將步驟s3中輸出的導(dǎo)航結(jié)果與步驟s4中更新的導(dǎo)航結(jié)果通過卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用卡爾曼濾波器估計(jì)出的慣性傳感器零偏反饋，當(dāng)下次進(jìn)行慣性導(dǎo)航時(shí)，進(jìn)行零偏修正，完成整個(gè)架次的組合導(dǎo)航計(jì)算；

7、s5、記錄估計(jì)出的零位值并反饋至sins中，按上述流程重新迭代計(jì)算三次，將三次估計(jì)出的零位值相加，得到最終的sins空中標(biāo)定結(jié)果。

8、作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，在步驟s2中，將初始時(shí)刻衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)的位置和高度作為導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航初值，其對(duì)稱過程如下：

9、設(shè)對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)的緯度為l，則姿態(tài)矩陣可由下式確定：

10、

11、得到對(duì)準(zhǔn)所確定的姿態(tài)矩陣，式中，e為地心地球坐標(biāo)系，i為地心慣性坐標(biāo)系，n為導(dǎo)航坐標(biāo)系，b為載體坐標(biāo)系，為基座慣性坐標(biāo)系。

12、作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，在步驟s3中，依據(jù)sins輸出的陀螺和加表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的慣性導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航的更新過程分為速度更新、位置更新以及姿態(tài)更新，其中，

13、速度更新方程為：

14、

15、式中：為加速度計(jì)的比力輸出；vn為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度；gn為載體所在位置的重力加速度；

16、位置更新方程為：

17、

18、式中：φ，λ，h分別載體所處位置的經(jīng)度、緯度和高度；分別為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的東北天三個(gè)方向上的速度分量；rm、rn分別表示載體所在位置的子午圈曲率半徑和卯酉圈曲率半徑。

19、姿態(tài)更新方程為：

20、

21、式中：為載體坐標(biāo)系b到導(dǎo)航坐標(biāo)系n的姿態(tài)變換矩陣；為載體坐標(biāo)系相對(duì)導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度；為的反對(duì)稱陣。

22、作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，在步驟s3中，組合導(dǎo)航計(jì)算的整個(gè)流程如下：

23、s31、建立慣性衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

24、

25、式中：為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，該導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)變量是由姿態(tài)誤差、速度誤差、位置誤差、三軸陀螺儀的零偏和三軸加速度計(jì)的零偏所組成的15維向量構(gòu)成，即：

26、

27、f(t)為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣；g(t)為系統(tǒng)噪聲矩陣；w(t)為測(cè)量噪聲向量；z(t為量測(cè)向量；h(t)為量測(cè)矩陣；v(t)為量測(cè)噪聲向量。其中，w(t)和v(t)均為零均值的高斯白噪聲，相互獨(dú)立且不相關(guān)；

28、s32、建立sins的誤差方程，包括：

29、s321、姿態(tài)誤差方程為：

30、

31、式中：φn為載體在導(dǎo)航系下的姿態(tài)誤差角；為陀螺儀的角速度輸出；為陀螺儀的角速度輸出在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的投影；為載體坐標(biāo)系b到導(dǎo)航坐標(biāo)系n的姿態(tài)變換矩陣，εn為陀螺儀零偏在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的投影；

32、s322、速度誤差方程為：

33、

34、式中：δvn為載體在導(dǎo)航系下的速度誤差；fb為加速度計(jì)的比力輸出；fn為加速度計(jì)的比力輸出在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的投影；vn為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度；和分別是地球自轉(zhuǎn)速率和位置速率,為加速度計(jì)零偏在導(dǎo)航坐標(biāo)系下的投影；

35、s323、位置誤差方程為：

36、

37、式中：δφ，δλ，δh分別載體所處位置的經(jīng)度、緯度和高度誤差；分別為載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的東、北、天三個(gè)方向上的速度分量；

38、將陀螺儀的零偏和加速度計(jì)的零偏建模為白噪聲，

39、量測(cè)向量z可表示為：

40、z＝[verr,perr]

41、式中：verr為慣導(dǎo)解算與衛(wèi)導(dǎo)量測(cè)所得的速度誤差，perr為慣導(dǎo)解算與衛(wèi)導(dǎo)量測(cè)所得的位置誤差；

42、量測(cè)矩陣h可表示為：

43、

44、對(duì)式狀態(tài)方程在連續(xù)時(shí)間條件下的狀態(tài)方程進(jìn)行離散化處理，可得：

45、

46、式中：xk-1、xk分別為k-1、k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量；φk,k-1為k-1時(shí)刻到k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；γk-1為k-1時(shí)刻系統(tǒng)的噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣；wk-1為k-1時(shí)刻系統(tǒng)的噪聲向量；zk為k時(shí)刻的量測(cè)向量；hk為k時(shí)刻的量測(cè)矩陣；vk為k時(shí)刻的量測(cè)噪聲；

47、s3、卡爾曼濾波的主要過程包括時(shí)間更新和量測(cè)更新兩部分，步驟如下所示：

48、s31、狀態(tài)一步預(yù)測(cè)：

49、

50、式中：為k-1時(shí)刻到k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)值；為k-1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)值。

51、s32、狀態(tài)一步預(yù)測(cè)均方誤差陣：

52、

53、式中：pk-1為k-1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的協(xié)方差矩陣；pk,k-1為的協(xié)方差矩陣；qk-1為k-1時(shí)刻系統(tǒng)噪聲協(xié)方差矩陣。

54、s33、濾波增益：

55、

56、式中：kk為k時(shí)刻濾波器的增益矩陣；pk,k-1為的協(xié)方差矩陣；rk為k時(shí)刻量測(cè)噪聲的協(xié)方差矩陣。

57、s34、狀態(tài)估計(jì)：

58、

59、s35、狀態(tài)估計(jì)均方誤差陣：

60、

61、每當(dāng)獲得衛(wèi)導(dǎo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，利用卡爾曼濾波器對(duì)慣導(dǎo)輸出結(jié)果進(jìn)行修正，將估計(jì)出的零位反饋至sins，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行修正以進(jìn)行下次的慣性導(dǎo)航。

62、本發(fā)明的有益效果在于：

63、相較于傳統(tǒng)的通過轉(zhuǎn)臺(tái)的方式進(jìn)行標(biāo)定的方式，該標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)了免拆卸標(biāo)定，能夠搭載傳感器并采集一個(gè)架次的傳感器輸出數(shù)據(jù)就可以完成sins空中標(biāo)定，標(biāo)定精度高，在提高標(biāo)定效率的同時(shí)能夠大大節(jié)省sins的標(biāo)定成本。