海洋重力辅助导航系统研究范文

《中国惯性技术学报》2016年第二期

摘要：

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一，本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设，构建了船载捷联惯导系泊对准模型，研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进，提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法，该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数，生成了精度更高的基准矢量，从而提高系泊对准的精度，并且该算法只需进行一次三轴姿态解算，保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明，改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度，两个水平姿态角误差小于4′，航向角误差在10′左右，满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。

关键词：

捷联惯导；重力；系泊对准；三轴姿态确定

惯性导航是海上运载体最主要的导航方式之一，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，是完全自主的导航。由于惯性传感器的精度约束，惯导系统必须借助于其他导航方式的辅助才能长时间使用。重力辅助导航是利用重力特征传感器测量的重力异常信息或重力梯度信息，与重力场特征图匹配来修正惯导误差的方法，保证了导航的无源性、抗干扰和长航时，脱离了GPS的限制，具有重要的工程应用价值[1-2]。捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的一个关键问题，本质上属于三轴姿态确定。TRIAD算法是通过两个不相交向量在两个坐标系中的已知坐标来确定姿态矩阵，即双矢量定姿。在静基座条件下，通常利用加速度计和陀螺仪测量的地球重力加速度和地球自转角速度作为双矢量。而当载体处于系泊状态时，由于摇摆运动的干扰，该方法不再适用。文献[3-5]引入惯性凝固假设，提出了一种基于重力加速度的对准方法，隔离了载体的摇摆运动，进而应用TRIAD算法来实现系泊对准。本文构建了捷联惯导系泊对准的模型，研究了基于传统TRIAD的系泊对准算法。为了提高系泊对准的精度，对TRIAD算法进行了改进，提出了一种基于加权矢量和的TRIAD算法，该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数，构造新的基准矢量，从而提高基准矢量的精度。通过数值仿真和船载试验对改进算法进行了验证，结果表明，基于加权矢量和的系泊对准算法在保证计算快速性的前提下有效提高了对准精度。

1捷联惯导系泊对准模型的构建

1.1坐标系描述1）地心惯性坐标系（i）：原点位于地球中心，oxi、oyi轴在赤道平面内，oxi轴指向春分点，ozi轴指向地球极轴；2）地球坐标系（e）：原点位于地球中心，oxe轴通过零子午线，oze轴指向地球极轴；3）导航坐标系（n）：原点位于载体重心，oxn轴指向东（E），oyn轴指向北（N），ozn轴指向天顶（U）；4）载体坐标系（b）：原点位于载体重心，oxb轴指向载体横轴方向，oyb轴指向载体纵轴方向，ozb轴指向载体竖轴方向；5）载体惯性坐标系（b0）：在初始对准的起始时刻将载体坐标系b经惯性凝固后的坐标系。

1.2系泊对准模型根据姿态矩阵的链式法则，任意时刻载体的姿态矩阵可由下式确定[3-6]。

2双矢量定姿算法

2.1基于TRIAD的系泊对准算法已知参考坐标系下两条非平行单位矢量为W1和W2，它们在本体坐标系下对应的单位矢量为V1和V2。以（W1,V1）为基准矢量，分别在参考坐标系和本体坐标系中构建两组符合右手准则的正交坐标系，两组正交坐标系中各坐标轴的单位矢量分别为[7-11]

2.2基于加权矢量和TRIAD的系泊对准算法根据TRIAD算法的原理，提高基准矢量的精度便可提高姿态矩阵解算的精度。

3数值仿真研究

给定参考坐标系下两矢量W1和W2，以及参考坐标系和本体坐标系之间的姿态矩阵真值A，假设：假设22120.0001，分别采用TRIAD算法和加权矢量和TRIAD算法进行10000次蒙特卡洛仿真，将每250次计算结果进行一次平均作为一个测量结果，共得到40个测量结果，绘制姿态误差曲线如图1所示。2）两传感器非等精度情况假设210.0001，220.0008，重复上述计算过程，绘制姿态误差曲线如图2所示。由图1和图2可知，加权矢量和TRIAD算法明显提高了姿态解算的精度。仿真中选取若干不同的参考矢量和姿态矩阵真值，以及改变两观测传感器的精度，能得到多组仿真结果。精度比较情况与上述相仿，限于篇幅不再列出。加权矢量和TRIAD算法较之传统的TRIAD算法同样只需进行一次TRIAD解算，保持了计算量小、耗时短的特点，非常适用于进行系泊对准。

4船载试验结果

为了验证基于加权矢量和TRIAD系泊对准算法的工程实用性，于2015年6月在山东青岛进行了4次激光捷联惯导系统船载试验。其中：激光陀螺仪精度为0.01(°)/h，加速度计精度为1×105g；系泊对准时间设置为120s，其中，t1=60s，t2=120s。试验中配置高精度的惯导系统作为对比基准，系统在船体内的安装情况如图3所示。表1给出四次船载试验的系泊对准结果。由表1可知，基于加权矢量和的系泊对准算法能在载体处于摇摆基座情况下实现系统的初始对准，两个水平姿态角误差小于4′，航向角误差在10′左右，达到了初始对准的要求。

5结论

系泊条件下的初始对准是海上运载体捷联惯导系统的关键技术之一，本文基于惯性凝固假设，构建了系泊对准模型，隔离了载体的摇摆运动，提出了一种基于加权矢量和的TRIAD算法实现初始三轴姿态解算。该算法的优点在于利用了观测矢量的误差标准差构建了加权系数，生成了精度更高的基准矢量，提高了系泊对准的精度。由于该算法只需完成一次TRIAD解算，仍然具有计算量小、耗时短的特点，保证了系泊对准的快速性。综上，基于加权矢量和的TRIAD算法能在保证计算快速性的前提下有效提高对准精度，满足海洋重力辅助导航系统的应用需求，具有一定的理论和工程应用价值。

作者：祝燕华 蔡体菁 王立辉 单位：东南大学 仪器科学与工程学院