捷联式惯性导航5初始对准_精品文档.pdf
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2010-04-231捷联式惯导系统捷联式惯导系统初始对准初始对准程向红程向红2010-04-232内容提要内容提要6捷联惯导系统的初始对准捷联惯导系统的初始对准6.1惯导对准的一般要求和原理惯导对准的一般要求和原理6.2粗对准原理粗对准原理l6.3精对准原理精对准原理l6.4卡尔曼滤波在初始对准中的应用卡尔曼滤波在初始对准中的应用2010-04-2336捷联惯导系统的初始对准捷联惯导系统的初始对准6.1惯导对准的一般要求和原理惯导对准的一般要求和原理6.2粗对准原理粗对准原理6.3精对准原理精对准原理6.4卡尔曼滤波在初始对准中的应用卡尔曼滤波在初始对准中的应用2010-04-2346.1惯导对准的一般要求和原理惯导对准的一般要求和原理惯导家族成员均是由加速度计测得的加速度经惯导家族成员均是由加速度计测得的加速度经两次积分两次积分而求而求得。
要进行积分必须要知道得。
要进行积分必须要知道初始条件初始条件:
初始速度,初始位初始速度,初始位置,初始姿态。
而捷联惯导系统中初始对准的另一个关键问置,初始姿态。
而捷联惯导系统中初始对准的另一个关键问题是要在较短的时间内以一定的精度确定出从载体坐标系到题是要在较短的时间内以一定的精度确定出从载体坐标系到地理坐标系的初始变换矩阵。
地理坐标系的初始变换矩阵。
1.为何要对准?
为何要对准?
精确、快速。
传感器精度高,同时对陀螺、加速度计进行补偿精确、快速。
传感器精度高,同时对陀螺、加速度计进行补偿2.对准的要求对准的要求nbC2010-04-2353.对准的方法和过程对准的方法和过程方法:
光的方法,天文的方法方法:
光的方法,天文的方法过程:
分两步即粗对准和精对准过程:
分两步即粗对准和精对准自主对准,不依赖外信息,受控式(依赖外信息)自主对准,不依赖外信息,受控式(依赖外信息)粗对准:
利用重力和地球自转角速率,直接估算初始姿态矩阵。
粗对准:
利用重力和地球自转角速率,直接估算初始姿态矩阵。
有些状态是不能直接测量的,因此必须采用有些状态是不能直接测量的,因此必须采用状态估计器状态估计器,估,估计出状态。
当把系统计出状态。
当把系统考虑考虑为为确定确定性性系统系统时,时,则则状态估计器是状态估计器是状态状态观观测器测器,当,当将将系统系统考虑考虑为为随机随机系统时,系统时,则则状态估计器是状态估计器是Kalman滤波滤波器。
器。
精对准精对准:
精确精确校正校正计计算参考算参考坐标系坐标系n与真实参考与真实参考坐标系坐标系n之之间的间的小失小失准准角角。
如果如果采用状态采用状态反馈控制反馈控制时,时,可将可将Kalman滤波技术应滤波技术应用用于于对准。
对准。
2010-04-2366.2粗对准原理粗对准原理l6.2.1解析式粗对准解析式粗对准l6.2.1.1对准方法描述对准方法描述l6.2.1.2误差分析误差分析l6.2.2一次修正粗对准一次修正粗对准l6.2.2.1对准方法描述对准方法描述l6.2.2.2误差分析误差分析2010-04-2376.2.1解析式粗对准解析式粗对准1()()nbbTbnnCCC=取取导导航航坐标系为地理坐标系坐标系为地理坐标系(n系系ENU)。
初始对准时,载。
初始对准时,载体体处于处于静止静止状态状态,加速度计测量的是,加速度计测量的是重力重力加速度加速度矢矢量在载体量在载体坐标系中的分量,坐标系中的分量,陀螺仪陀螺仪测量的是地测量的是地球球速速率矢率矢量在载体坐标量在载体坐标系系b中的分量。
中的分量。
这这两个分量在导两个分量在导航航坐标系坐标系n中的分量是中的分量是已已知知的,的,并且并且是是常值常值。
变换矩阵。
变换矩阵nbC可可由由ie及及g在在b和和n坐标系中的估坐标系中的估值值计计算算出出来来。
重力矢重力矢量量nbnbCgg=niebnbieC=ieg=如如定定义义nbnbCvv=1()()nnTbTbC=gg()()()bTnTbTnC=gg1()()nnTbTbieieC=1()()nnTbTbCvv=1()()()()()()nTbTnnTbTbieienTbTCvv=gg对准方法描述对准方法描述2010-04-238对准方法描述对准方法描述()00nTg=g()0cossinnTieieieLL=()cos00nTievgL=11()00()0cossin()cos00nTnTieieienTiegLLvgL=g000cossinnnnieieievgLgL=00000cos000sinieieggLL=cos00iegL=100costan10cos100ieiegLLgLg=222222200cos1sincoscos0coscos00ieieieieiegLgLLgLgLgL=2010-04-239对准方法描述对准方法描述0nie=&bbnienieC=bkbnnbnieC=bbnbnienienieCC=+&bkbnbie=bbkbnnbnCC=&在在静基座上静基座上对准时,对准时,解析解析对准对准法比现法比现有的有的光学光学对准对准法法要要好好。
然然而而实际情况下实际情况下,由,由于于受干扰振动及干扰受干扰振动及干扰加速度加速度的的影响影响,其其性性能能将将要要下降下降。
这种影响这种影响是是双重双重的,的,首先首先,这这些些干扰使干扰使gb与与bie的测量有的测量有误差误差,因为,因为被被测量是测量是f=g+fdib=ie+dgb与与bie=0由由d的分量确定的分量确定需需要要引入某种引入某种滤波滤波作作用,以用,以减减小振动小振动的的影响影响。
可可采用采用简单简单的的低通低通滤滤波波器,以得到器,以得到被被测量的测量的平平均均值值。
这这样便样便能能给给出出平平均对准矩阵。
均对准矩阵。
显显然然,与与载体的载体的运运动动有关,载体坐标系的有关,载体坐标系的瞬瞬时位置时位置相相对对于其于其平平均均值值位位置置可可能有能有相相当当大大的变的变化化。
结结果果是,是,如果如果仅达仅达到到平平均对准,当系统均对准,当系统转转入入导导航航状态时,状态时,会会有有比比较较大大的的初始初始失失准准角角。
EditedbyFoxitReaderCopyright(C)byFoxitSoftwareCompany,2005-2008ForEvaluationOnly.2010-04-2310111unnnnueneCIE=bienbCnnC若若能得到载体能得到载体振动振动的统计的统计特特性性,则可则可构造构造一个一个更完善更完善的的最佳最佳滤滤波波方案方案,然然而,要而,要想依靠线想依靠线性滤波性滤波把把gb和和d和和fd中中区区分分开开来来是是相相当当困难困难的。
因为的。
因为很很可可能能这这些分量些分量包含包含有有相同相同的的频频率率。
此。
此外外,滤波滤波器器还会还会引入引入附附加的时间加的时间延迟延迟。
因此,。
因此,解析解析对准对准主主要是要是作作为一为一种种平平均对准,均对准,它它是是迅迅速速求得变换矩阵初求得变换矩阵初始估始估值值坐标系坐标系n可可称称为捷联为捷联平台平台坐标系,坐标系,它它与真实参考与真实参考系系n之之间间的关系的关系可可用用3个个小失小失准准角角描述描述。
变换矩阵。
变换矩阵的变的变动动从从干扰干扰的一的一种种方方法法。
在精对准在精对准阶段阶段,将将利利用计用计算参考算参考系系n与真实参考与真实参考系系n间的间的失失准准角角估估值值精精校校变换矩阵的变换矩阵的元素元素。
对准方法描述对准方法描述2010-04-2311误差分析误差分析nbCMQnbTC=1()M=()()nTnTienTvg()Q()()bTbTTiebTv=gM(QQ)nbTTC=+QTxyzTTxyzTxyzffffvvvv=vg=vgg=+vgf=+xyzzyyzzyyzxxzzxxzzxyyxxyyxvggffvggffvggff=+=+=+TTxyzxyzfffggg=1()()()()()()nTbTnnTbTbieienTbTCvv=gg2010-04-2312误差分析误差分析MQMQ(MQ)nbnbTTTnbCICC=+=+0MQ00unbnTnueneCE=1/20()()()nnnTnbbbbCCCC=T1/20T()(MQ)(QMMQ)nbnTnbbTnbbnTCICCICC=+()()nTnbbCC(MQ)(MQ)nTnbTbTCC=+TTT(QM)(MQ)bnnbTCC=+TTQMMQTnbbnTICC=+1/212()IXIX+T10T2()(MQQM)nbnTnbTnbbCICCC=+nbC=T1T2QMnTnbbCC12MQnbbnTCCMQT+T1T2MQQMTnTbC12MQMQbTnTCMatlab辅助推导辅助推导2010-04-23136.2.1.26.2.1.2误差分析误差分析T10T2()(MQQM)nbnTnbTnbbCICCC=+T1T2(MQQM)bnTTnbCCT1T2(MQQM)bnnbTTCC小小括号括号内的内的项项为一为一个矩阵个矩阵和其和其转转置矩阵的置矩阵的差值差值,是,是反反对对称称矩阵矩阵。
当载体坐标系。
当载体坐标系b相相对对于于地理坐标系地理坐标系n处于处于任意方任意方位位时,时,还还不不容易容易导出导出失失准准角角e,n,u与仪与仪表表误差误差的的简单简单解析解析函数式函数式。
为。
为了便了便于于分分析析,考虑考虑一一种种特殊特殊情况情况,假设假设b系系沿着沿着n系对准,系对准,即即nbCI=,此时,此时,00000000()()()()0()()()0unnnbuebneCIC=2010-04-231412120tancostan0(tan)coscos(tan)0cosxxxieyxxzzieieyxzzieffLgLgfffLLgLggLfffLgggL=+误差分析误差分析误差分析误差分析00000000()()()()0()()()0unnnbuebneCIC=0()tancosxxuiefLgL=0()xnfg=102()(tan)cosyzzeieffLggL=+T1T2(MQQM)bnnbTTCC2010-04-2315误差分析误差分析0()tancosxxuiefLgL=0()xnfg=102()(tan)cosyzzeieffLggL=+fxfyfzxzenu3.4/1mg-1.7/1mg-1.7tanL/1mg1.7secL/meru3.4tanL/1mg-3.4secL/meru2010-04-23166.2.26.2.2一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准QQQbnff=ooQ()Qbbff=+ooQQnbff=ooQQQQbbff+=ooooQQQQQQbnff=+ooooooQQnbff+=QQooooQQ=QoQQ=Qo00nfg=12Q1n=暂暂时不时不考虑考虑测量测量误差误差,即即fb=0,在载体在载体没没有加速度有加速度的的情况下情况下,矢矢量量fn为为假设假设载体的姿态载体的姿态及航及航向向角已角已由由其其它它导导航仪航仪表表以以几几度的精度度的精度近似近似测测出。
出。
被被测出的加速度分量测出的加速度分量bf可可通过通过已已知知数据数据构构成的姿态成的姿态四元数四元数传递传递对准对准进行分进行分解解。
由此得到计。
由此得到计算算的加速度分量为的加速度分量为2010-04-2317一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准一次修正粗对准方法描述方法描述方法描述方法描述QQnnff=oo111221112222()()(1=1)enuenugijjkkik+oo111222Q1enuijk=+111222Q1enuijk=negigjgk=+nennueggffffg=111221222112()
(1)enuneugggjgkjiik+=o111222111222uneenugggg
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