使用粗对准后的姿态角计算初始速度。由已知的航向角 ,俯仰角 ,横滚角 和相对载体系的初始速度 ,根据公式:
= (2.9)
计算得到由导航系到载体系的姿态转换矩阵,再根据
(2.10)
即可计算得到相对导航系的初始速度 。
实际设计中,用于陀螺仪的精度较低,使用磁传感器的信号通过投影求反三角函数对航向角进行解算。
2. 精对准
首先将粗对准后所得姿态角、速度及初始位置信息代入精对准中进行姿态解算、比力方程求解地理速度及位置解算,并读入加速度计及陀螺仪信号。然后卡尔曼滤波进行修正,以速度误差建立观测方程。
若GPS信号可用,以惯性测量单元的速度输出与GPS速度输出之差作为速度误差;若GPS信号不可用,由于精对准时,理论速度应为0,即以惯性测量单元的速度与理论速度之差作为观测量。建立速度误差的观测方程后,估计累积速度、位置误差,并在精对准之后强制校正。
由速度误差建立观测方程估计出数学平台误差角,由数学平台误差角进行计算实现对姿态角的校正。
捷联惯性导航系统中常用的坐标系有导航系n、机体系b和计算系c,三个坐标系之间的相互关系为:
(2.11)
在数学平台误差角为小量的条件下,近似表达式为:
(2.12)
其中, 是捷联惯性导航系统的数学平台误差角,且
(2.13)
式中, , 和 分别为东北天三个方向的平台误差角。又有:
= (2.14)
则可计算得到修正后的姿态矩阵 ,进而得到修正后的姿态角信息[10]。
2.1.2. 捷联解算中的姿态解算
姿态矩阵的解算,即方向余弦矩阵的解算,主要完成三大功能:
1) 利用捷联陀螺仪测量载体相对于惯性空间的角速度 ,常采用四元数法解算姿态矩阵 ;
2) 从姿态阵的元素中提取载体的姿态信息 , , ;
3) 利用 把加速度计的输出 从载体坐标系变换到导航坐标系 ,即比力变换
(2.15)
在求得载体相对导航系的比力后,再扣除有害加速度,通过一次和两次积分可分别求得当前速度和位置[10]。其算法流程图如下图所示:
图2.2 姿态解算的算法流程
1.四元数算法解算姿态
四元数法是一种间接处理的捷联惯性导航系统姿态矩阵解算方法,用四元数的微分方程解算求解得到中间变量四元数,然后再转换为载体坐标系与地理坐标系间的方向余弦矩阵 。优点为可大大减少计算量,并且具有更好的计算性能[ ]。
四元数是一个由1个实数单位和3个虚数单位i,j,k构成的含有四个元的数,其复数定义形式为:
(2.16)
且定义规范化的四元数 为:
(2.17)
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