光学捷联惯导系统初始对准教程课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光学惯性测量与导航系统,杨功流 教授,主 讲：,Optic Inertial Measurement&Navigation System,9664,，,6542-823,电 话：,晁代宏 讲师,张小跃 讲师,第六章 光学捷联惯导系统初始对准,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,6.2,自对准技术,6.3,传递对准技术,惯性导航系统是一种积分推算系统，这就需要预先给定积分初始值（包括位置、速度和姿态）。,载体的位置与速度初值较易得到，如在静止状态下开始导航时，初始速度为零，也可利用外部数据直接装订。,初始姿态值相对而言较难得到，这时需依赖惯导系统的初始对准过程来实现。,初始对准的精度、对准时间直接影响导航系统精度和准备时间，所以初始对准技术一直是惯导系统的关键技术之一。,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,初始对准的分类及要求,初始对准一般可分为以下几类：,按基座运动状态的不同,:,静基座对准,动基座对准,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,初始对准的分类及要求,按对外信息需求的不同：,自主式对准,非自主式对准,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,初始对准的分类及要求,自主式对准指惯导系统依靠重力矢量和地球自转角速度矢量就可实现对准，而不需要其他外部信息；,非自主式对准指引入外部姿态信息或通过引入外部主惯导的导航信息（即传递对准）等方法来完成的初始对准。,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,初始对准的分类及要求,初始对准的两项重要指标,对准时间,对准精度,6.1,捷联惯导系统初始对准基本原理,解析式粗对准,粗对准阶段的首要要求是快速性，对精度的要求较低。在进行解析式粗对准时，要求载车静止，同时要求当地的经度、纬度为已知量。这样，重力加速度,g,和地球自转角速率在导航坐标系中的分量是确定的常值，在载体坐标系中的分量也可以通过惯性器件测得。通过惯性器件的测量值可以直接计算出初始捷联矩阵。,6.2,自对准技术,根据载体系和导航系之间的坐标变换关系，可以得到以下三个关系式,:,6.2,自对准技术,由于 是正交矩阵，存在关系 ，对上式各式分别转置得：,6.2,自对准技术,把上式改写成矩阵形式：,6.2,自对准技术,直接得到姿态矩阵：,由于在载体系中只能得到 和 的测量值 和 ，按照上式只能计算出 的估计值 。,6.2,自对准技术,精对准,经过粗对准后，得到的初始捷联矩阵还不准确，即存在姿态误差，精对准阶段就是要对姿态角误差做出估计并进行修正，从而获得准确的捷联矩阵。可以基于第四章和第五章述及的误差方程和卡尔曼滤波进行姿态误差估计和修正。,6.2,自对准技术,6.2,自对准技术,略去惯性器件的刻度系数误差和安装误差，速度和姿态误差方程为：,6.2,自对准技术,对准中仅将陀螺漂移和加速度零偏的随机常数部分列入状态：,6.2,自对准技术,取状态变量为：,6.2,自对准技术,选取速度误差为观测量，所建立的系统观测方程为：,6.2,自对准技术,对准精度分析,6.2,自对准技术,6.2,自对准技术,L,为惯导系统所处位置的地理纬度。水平误差角的估计误差是由加速度计的误差引起，方位误差角的估计误差是由东向陀螺漂移和北向水平误差角的估计误差造成的。,多位置对准,基本概念,6.2,自对准技术,概 述,问题的提出,解决方法,直接装订,匹配对准,6.3,传递对准技术,概 述,动基座对准通常是在载体运动状态下进行的。由于载体运动和各种环境扰动的影响，在动基座初始对准过程中一般不采用自主对准，而是利用高精度的主惯导来实现如机载导弹或舰载机等载体上子惯导的初始对准，这种将外部基准信息传递给惯性导航系统使其进行对准的方法即为传递对准。,6.3,传递对准技术,概 述,传递对准的基本思想是以精度高的主惯导信息为基准，通过比较主惯导与子惯导的输出信息，并采用合适的滤波算法来得到子惯导误差参数的估计值，从而对子惯导误差进行补偿。,6.3,传递对准技术,传递对准匹配方式,传递对准所采用的方法就是通过比较主、子惯导的输出值来进行误差量的估计，也就是通常所指的匹配方式。一般来说，传递对准可分为两大类：一类是计算参数匹配法：另一类是测量参数匹配法。计算参数匹配法把失准角当做一个整体，利用主、子惯性导航系统计算出的信息，如位置之差、速度之差对子惯导进行对准；测量参数匹配法则是利用主、子惯性导航系统测得的角速度之差和比力之差来对失准角进行估计。,6.3,传递对准技术,传递对准匹配方式,一般来说，测量参数匹配法由于方法直接，其快速性由于计算参数匹配法，但对载体结构挠曲运动计算参数匹配法要敏感，即在同等条件下，其精度要低于计算参数匹配法。,常见的匹配算法包括位置匹配法、速度匹配法、积分速度匹配法、双积分速度匹配法、比力匹配法、角速度匹配法、积分角速度匹配法等。,6.3,传递对准技术,速度匹配对准模型,基于速度匹配的传递对准采用主、子惯导解算的速度之差作为观测量，为提高对准性能，在形成观测量之前必须对主惯导速度进行杆臂补偿。卡尔曼滤波器的观测量是经预滤波处理后的子惯导速度与经杆臂误差补偿后的主惯导速度之差。,6.3,传递对准技术,速度匹配对准模型,主惯导的速度可采用以下方式补偿：,式中，为杆臂矢经真实值，为杆臂误差。,6.3,传递对准技术,（,6-31,）,速度匹配对准模型,6.3,传递对准技术,图,6-4,基于速度匹配的传递对准示意图,速度匹配对准模型,根据主、子惯导间的速度关系，且考虑器件误差，则有：,由式（,6-32,）减去式（,6-31,）可得速度匹配的观测值,6.3,传递对准技术,（,6-32,）,（,6-33,）,速度匹配对准模型,由上式可见，速度之差除 为系统误差状态项以外，和 均为观测误差。从精确建模的角度着手，可将 列为系统状态进行估计。由于振动和挠曲变形等因素的影响，可表示为静态分量 和动态分量 之和，即,6.3,传递对准技术,速度匹配对准模型,对于随机变量 进行精确建模困难极大，实际中往往将其视为噪声，仅对随机常值 进行估计。因此，有,其中，视为测量噪声。,6.3,传递对准技术,（,6-34,）,速度匹配对准模型,实际对准中子惯导的位置信息通常直接利用主惯导位置信息进行实时更新，因此在滤波器设计中可不考虑位置误差。选取系统状态 ，则速度匹配卡尔曼滤波器设计如下：,6.3,传递对准技术,速度匹配对准模型,系统状态方程：,6.3,传递对准技术,速度匹配对准模型,系统观测方程：,式中，表示向量 的反对称矩阵。,由上式可知，速度匹配的测量噪声主要是由杆臂效应补偿误差和载体的振动和挠曲效应所引起的相对速度噪声所构成。,6.3,传递对准技术,The End,