CN106813663A - 一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，包括如下步骤：获取惯性导航数据，获取卫星导航数据；提取卫星导航秒脉冲时刻t，提取卫星导航秒脉冲时刻t前后两个时间点t₁、t₂的惯性导航数据，计算卫星导航秒脉冲时刻t与t₂之间的间隔时间t_GPS，t_GPS＝t₂‑t；计算比例系数K_r：T为两个时间点t₁、t₂之间的时间间隔；计算t时刻惯性导航位置参数和速度参数；计算t时刻的惯性导航姿态四元数。本发明利用两个惯性导航时刻的数据换算获得秒脉冲的发送时刻的惯性导航数据，实现了惯性导航数据与卫星导航数据同步，提高了数据处理的精度。

Description

一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法

技术领域

本发明涉及一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，属于数据同步领域。

背景技术

运载器在飞行过程中由于惯性器件存在漂移，惯性导航误差水时间积累，长时间工作误差较大，而卫星导航***误差不随时间积累，因此采用卫星导航***修正惯性导航误差，可以提高导航控制精度。而实际工程中惯性导航与卫星导航时间基准不同，会存在数据时间不同步问题，需要采用数据同步方法完成惯性导航***与卫星导航***数据同步，获得卫星导航***秒脉冲时刻的惯性导航数据。

惯性导航与卫星导航时间基准如何统一是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，统一惯性导航与卫星导航时间基准。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，包括如下步骤：

(1)获取惯性导航数据，获取卫星导航数据；

(2)提取卫星导航秒脉冲时刻t，提取卫星导航秒脉冲时刻t前后两个时间点t₁、t₂的惯性导航数据，计算卫星导航秒脉冲时刻t与t₂之间的间隔时间t_GPS，t_GPS＝t₂-t；计算比例系数K_r：T为两个时间点t₁、t₂之间的时间间隔；

(3)利用计算比例系数K_r计算t时刻惯性导航位置参数和速度参数；

(4)计算t时刻的惯性导航姿态四元数。

优选的，利用计算比例系数K_r计算t时刻惯性导航位置参数(x，y，z)和速度参数(V_x，V_y，V_z)的方法为：

位置参数

速度参数：

(X_t1，Y_t1，Z_t1)为t₁时刻惯性导航三方向位置坐标，(X_t2，Y_t2，Z_t2)为t₂时刻惯性导航三方向位置坐标，(V_{x_t1}，V_{y_t1}，V_{z_t1})为t₁时刻惯性导航三方向速度参数，(V_{x_t2}，V_{y_t2}，V_{z_t2})为t₂时刻惯性导航三方向速度参数。

优选的，计算t时刻的惯性导航姿态四元数的具体方法为：

(4.1)计算从时刻t₁到t₂间的转动四元数

(4.2)计算从时刻t₁到t₂间飞行器转动的角度Δθ_{t_1_2}，Δθ_{t_1_2}＝2·cos^-1(p₀)，当Δθ_{t_1_2}<1×10^-10时，t时刻惯性导航姿态四元数(q₀q₁q₂q₃)为

如果Δθ_{t_1_2}>1×10^-10，计算角度Δθ_{t_1_2}的三个方向分量(Δθ_x,Δθ_y,Δθ_z)，计算比例系数K_θ：则

计算从时刻t₁到t间飞行器转动的角度Δθ_t的三个方向分量(Δθ_{x_t},Δθ_{y_t},Δθ_{z_t})为：

计算角度Δθ_t，

计算时刻t的惯性导航姿态四元数为：

其中(q_{0_t_1}，q_{1_t_1}，q_{2_t_1}，q_{3_t_1})为时刻t₁的惯性导航姿态四元数，(q_{0_t_2}，q_{1_t_2}，q_{2_t_2}，q_{3_t_2})为时刻t₂的惯性导航姿态四元数。

优选的，步骤(2)替换为：提取卫星导航秒脉冲时刻t，提取卫星导航秒脉冲时刻t前后两个时间点t₁、t₂的惯性导航数据，计算卫星导航秒脉冲时刻t与t₁之间的间隔时间t_GPS，t_GPS＝t-t₁；计算比例系数K_r：

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明利用两个惯性导航时刻的数据换算获得秒脉冲的发送时刻的惯性导航数据，实现了惯性导航数据与卫星导航数据同步，提高了数据处理的精度。

(2)本发明的算法简单、计算效率高，保证了飞行器滤波导航计算的实时性。

附图说明

图1为本发明复合导航软件进行秒脉冲时刻惯性参数读取示意图。

具体实施方式

本发明的惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，包括如下步骤：

(1)获取惯性导航数据和卫星导航数据

如图1所示，t为卫星导航的秒脉冲的发送时刻，该时刻与惯性导航时刻不统一，位于两个惯性导航时刻之间，导致后续滤波使用的导航数据不统一，导致误差较大，因此利用两个惯性导航时刻的数据换算获得秒脉冲的发送时刻的惯性导航数据，用于后续滤波计算。

惯性导航软件按照20ms间隔发送惯性导航数据给复合导航软件。t₁时刻惯性导航数据为：速度为V_{x_t1}、V_{y_t1}、V_{z_t1}，位置为X_t1、Y_t1、Z_t1，姿态四元数为：t₂时刻惯性导航数据为：速度为V_{x_t2}、V_{y_t2}、V_{z_t2}，位置为X_t2、Y_t2、Z_t2，姿态四元数为：

获取卫星导航数据，如图1所示，复合导航软件在秒脉冲时刻t获取卫星导航数据。

(2)进行数据同步计算，计算比例系数K_r

如图1所示，20ms间隔中秒脉冲时刻前后两个惯性导航数据时间点为t₁和t₂，获取秒脉冲时刻与t₂之间的间隔时间t_GPS，则秒脉冲到来的时刻为t_GPS＝t₂-t。插值计算：

比例系数K_r：

(3)计算t时刻导航位置参数和速度参数

t时刻惯性导航位置、速度和视加速度数据为：位置：速度：(X_t1，Y_t1，Z_t1)为t₁时刻惯性导航三方向位置坐标，(X_t2，Y_t2，Z_t2)为t₂时刻惯性导航三方向位置坐标，(V_{x_t1}，V_{y_t1}，V_{z_t1})为t₁时刻惯性导航三方向速度参数，(V_{x_t2}，V_{y_t2}，V_{z_t2})为t₂时刻惯性导航三方向速度参数。

(4)计算t时刻的惯性导航姿态四元数(q₀q₁q₂q₃)

从时刻t₁到t₂间的转动四元数为：

从时刻t₁到t₂间转动的角度Δθ_{t_1_2}为：

Δθ_{t_1_2}＝2·cos^-1(p₀)

当Δθ_{t_1_2}<1×10^-10时，t时刻惯性导航姿态数据(q₀ q₁ q₂ q₃)为

如果Δθ_{t_1_2}>1×10^-10，计算角度Δθ_{t_1_2}的三个分量：(Δθ_x Δθ_y Δθ_z)

比例系数K_θ：则

计算从时刻t₁到t间转动的角度三个分量(Δθ_{x_t} Δθ_{y_t} Δθ_{z_t})为：

时刻t的惯性导航姿态四元数为：

计算转角Δθ_t，

时刻t的箭体坐标系到发射惯性系的姿态转换矩阵为：

由此得到秒脉冲时刻惯性导航位置和速度、视加速度、姿态四元数，实现卫星导航时刻与惯性导航参数相对应，用于滤波计算。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取惯性导航数据，获取卫星导航数据；

(2)提取卫星导航秒脉冲时刻t，提取卫星导航秒脉冲时刻t前后两个时间点t₁、t₂的惯性导航数据，计算卫星导航秒脉冲时刻t与t₂之间的间隔时间t_GPS，t_GPS＝t₂-t；计算比例系数K_r：T为两个时间点t₁、t₂之间的时间间隔；

(3)利用计算比例系数K_r计算t时刻惯性导航位置参数和速度参数；

(4)计算t时刻的惯性导航姿态四元数。

2.如权利要求1所述的惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，其特征在于，利用计算比例系数K_r计算t时刻惯性导航位置参数(x，y，z)和速度参数(V_x，V_y，V_z)的方法为：

位置参数

速度参数：

(X_t1，Y_t1，Z_t1)为t₁时刻惯性导航三方向位置坐标，(X_t2，Y_t2，Z_t2)为t₂时刻惯性导航三方向位置坐标，(V_{x_t1}，V_{y_t1}，V_{z_t1})为t₁时刻惯性导航三方向速度参数，(V_{x_t2}，V_{y_t2}，V_{z_t2})为t₂时刻惯性导航三方向速度参数。

3.如权利要求1或2所述的惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，其特征在于，计算t时刻的惯性导航姿态四元数的具体方法为：

(4.1)计算从时刻t₁到t₂间的转动四元数

$\stackrel{\&RightArrow;}{p}={\left({\stackrel{\&RightArrow;}{q}}_{t\_1}\right)}^{-1}\&CircleTimes;{\stackrel{\&RightArrow;}{q}}_{t\_2}=\left[\begin{array}{c}{p}_0\\ p_1\\ p_2\\ p_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{q}_{0\_t\_1}& q_{1\_t\_1}& q_{2\_t\_1}& q_{3\_t\_1}\\ -q_{1\_t\_1}& q_{0\_t\_1}& q_{3\_t\_1}& -q_{2\_t\_1}\\ -q_{2\_t\_1}& -q_{3\_t\_1}& q_{0\_t\_1}& q_{1\_t\_1}\\ -q_{3\_t\_1}& q_{2\_t\_1}& -q_{1\_t\_1}& q_{0\_t\_1}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}{q}_{0\_t\_2}\\ q_{1\_t\_2}\\ q_{2\_t\_2}\\ q_{3\_t\_2}\end{array}\right];$

(4.2)计算从时刻t₁到t₂间飞行器转动的角度Δθ_{t_1_2}，Δθ_{t_1_2}＝2·cos^-1(p₀)，当Δθ_{t_1_2}<1×10^-10时，t时刻惯性导航姿态四元数(q₀q₁q₂q₃)为

如果Δθ_{t_1_2}>1×10^-10，计算角度Δθ_{t_1_2}的三个方向分量(Δθ_x,Δθ_y,Δθ_z)，计算比例系数K_θ：则

计算从时刻t₁到t间飞行器转动的角度Δθ_t的三个方向分量(Δθ_{x_t},Δθ_{y_t},Δθ_{z_t})为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{x\_t}=K_r\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_x\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{y\_t}=K_r\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_y\\ {\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{z\_t}=K_r\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_z\end{array}\right.$

计算角度Δθ_t，

计算时刻t的惯性导航姿态四元数为：

$\left[\begin{array}{c}{q}_0\\ q_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{q}_{0\_t\_1}& -q_{1\_t\_1}& -q_{2\_t\_1}& -q_{3\_t\_1}\\ q_{1\_t\_1}& q_{0\_t\_1}& -q_{3\_t\_1}& q_{2\_t\_1}\\ q_{2\_t\_1}& q_{3\_t\_1}& q_{0\_t\_1}& -q_{1\_t\_1}\\ q_{3\_t\_1}& -q_{2\_t\_1}& q_{1\_t\_1}& q_{0\_t\_1}\end{array}\right]\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}\cos \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{x\_t}}{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}\&CenterDot;\sin \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{y\_t}}{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}\&CenterDot;\sin \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}\\ \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_{z\_t}}{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}\&CenterDot;\sin \frac{{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}_t}{2}\end{array}\right];$

其中(q_{0_t_1}，q_{1_t_1}，q_{2_t_1}，q_{3_t_1})为时刻t₁的惯性导航姿态四元数，(q_{0_t_2}，q_{1_t_2}，q_{2_t_2}，q_{3_t_2})为时刻t₂的惯性导航姿态四元数。

4.如权利要求1或2所述的惯性导航数据与卫星导航数据同步方法，其特征在于，步骤(2)替换为：提取卫星导航秒脉冲时刻t，提取卫星导航秒脉冲时刻t前后两个时间点t₁、t₂的惯性导航数据，计算卫星导航秒脉冲时刻t与t₁之间的间隔时间t_GPS，t_GPS＝t-t₁；计算比例系数K_r：