CN115096332A - 一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法、设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法、设备及介质，该方法对载体的初始姿态范围要求较低，可适用于大角度范围的垂直发射对准，降低了发射***对调平、起竖、方位调整等环节的精度需求。首先建立坐标系，再基于坐标变换的思路，将垂直发射对准转换为经典的水平对准，通过两次方位角装订，实现了高精度的初始姿态对准，缩短了起飞准备时间，减少了硬件成本；同时该方法对准精度较高，无原理简化误差，可满足大部分无人飞行器的对准精度需求，该方法适用范围广，通用性强，可直接应用于大部分的垂直发射无人飞行***，提高无人飞行器的发射快速性以及飞行精度，降低了发射***的保障要求。

Description

一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法、设备及介质
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体为一大角度范围的高精度垂直发射对准方法、设备及介质。
背景技术
随着无人飞行***对发射快速性、全方位飞行的需求升级，越来越多的无人飞行器采用垂直发射方式。
现有垂直发射惯性导航***中的对准方法，普遍对载体的发射系初始姿态范围要求较高，必须保证发射装置的水平度足够的小，载体的垂直度足够的高，发射系的偏航角足够的小，这些数值都得在规定的小幅度范围内才能保证对准的性能，否则，对准性能就会下降。这就要求发射***的调平、起竖、方位调整等操作的精度必须足够高，这很大程度上不利于无人飞行器的快速发射，也对发射***的保障性提出了较高要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，以克服现有技术存在的地面操作复杂、操作速度慢和可靠性较低的问题，
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1坐标系建立：建立水平系、垂直系、北天东导航坐标系和前上右发射坐标系；
S2水平系粗对准：采集所述S1垂直系中的IMU数据，将垂直系IMU数据转换为S1水平系中的IMU数据，再利用S1水平系中的IMU数据进行水平系姿态对准，得到水平系姿态角1，再通过装订得到方位角，再将所述方位角赋值得到水平系航向角，将水平系航向角与水平系姿态角1结合得到水平系姿态阵1；
S3水平系精对准：基于S2得到的水平系姿态阵1和S1得到的水平系中的IMU数据，进行组合导航，完成水平系姿态阵1的精对准,得到水平系姿态阵2；
S4水平系航向再装订：基于S3得到的精对准后的水平系姿态阵2，对水平系姿态阵2进行解析，得到精对准后水平系姿态角2，再将水平系航向角与水平系姿态角2结合，转换得到航向再装订后的水平系姿态阵3；
S5对准结果垂直系转换：基于S4得到的水平系姿态阵3，将水平系姿态阵3转化为垂直系姿态阵3，再将垂直系姿态阵3转化为发射系姿态阵，最后对发射系姿态阵进行姿态角解析，得到发射系姿态角。
优选地，S3还能够将水平系姿态阵1转化为垂直系姿态阵1，基于垂直系姿态阵1，采用组合导航方法进行组合导航，完成垂直系姿态阵1的精对准,得到垂直系姿态阵2。
优选地，基于垂直系姿态阵2，先将垂直系姿态阵2转化为水平系姿态阵2，再进行水平系航向再装订，得到水平系姿态阵3。
优选地，S2中，垂直系IMU数据转换为S1水平系中的IMU数据的方法为坐标系转换法。
优选地，S2中，水平姿态对准的方式为静基座粗对准方法。
优选地，S2中水平系姿态角包括俯仰角和滚转角。
优选地，S4中使用姿态阵解析为-231姿态角的方法对水平系姿态阵2进行解析。
优选地，S5中使用姿态阵解析为321姿态角的方法对发射系姿态阵进行姿态角解析。
一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法、设备及介质，该方法对载体的初始姿态范围要求较低，可适用于大角度范围的垂直发射对准，降低了发射***对调平、起竖、方位调整等环节的精度需求。首先建立坐标系，再基于坐标变换的思路，将垂直发射对准转换为经典的水平对准，通过两次方位角装订，实现了高精度的初始姿态对准，缩短了起飞准备时间，减少了硬件成本；同时该方法对准精度较高，无原理简化误差，可满足大部分无人飞行器的对准精度需求。该方法适用范围广，通用性强，可直接应用于大部分的垂直发射无人飞行***，提高无人飞行器的发射快速性以及飞行精度，降低了发射***的保障要求。
进一步地，还可以将S3中水平系姿态阵1转化为垂直系姿态阵1，基于垂直系姿态阵1，采用组合导航方法进行组合导航，完成垂直系姿态阵1的精对准,得到垂直系姿态阵2，提供了多种转化方式，在使用过程中更加灵活。
附图说明
图1是本发明一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法流程图
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法流程如图1所示。
该方法主要包含五部分：坐标系建立、水平系粗对准、垂直系/水平系精对准、水平系航向再装订、对准结果垂直系转换。
(1)坐标系建立
建立下前右载体坐标系(b0系)以及其他常规坐标系。
1)下前右载体坐标系(b0系)
用oxb0yb0zb0表示，原点位于载体的中心，oxb0轴沿载体立轴向下，oyb轴沿载体纵轴向前，ozb轴沿载体横轴向右。b0系与载体固连，当载体垂直发射时，oxb轴水平向前，因此b0系也简称为水平系。
2)前上右载体坐标系(b系)
用oxbybzb表示，原点位于载体的中心，oxb轴沿载体纵轴向前，oyb轴沿载体立轴向上，ozb轴沿载体横轴向右。b系与载体固连，当载体垂直发射时，oxb轴垂直向上，因此b系也简称为垂直系。
3)北天东导航坐标系(n系)
用oxnynzn表示，原点位于惯导***所处的位置点，oxn轴指向北，oyn轴指向东，ozn轴指向天。
4)前上右发射坐标系(f系)
用oxfyfzf表示，原点位于发射点，oxf轴在发射点的水平面内，指向发射瞄准方向，oyf轴沿发射点的重垂线方向；oxfyfzf为右手坐标系。发射系固定在地球上，随地球一起旋转。
(2)水平系粗对准
采用坐标系变换的方法，将垂直系IMU数据转换为水平系IMU数据；然后采用传统静基座粗对准方法完成水平系姿态对准，采用航向装订的方法完成航向初始化。具体步骤如下：
1)水平系/垂直系IMU数据坐标转换
记Ab0、Wb0为水平系(b0系)的三轴加速度和角速度；记Ab、Wb为垂直系(b系)的三轴加速度和角速度；记
Figure BDA0003701211090000041
为垂直系到水平系的坐标转换矩阵；记
Figure BDA0003701211090000042
为水平系到垂直系的坐标转换矩阵。则：
Figure BDA0003701211090000043
Figure BDA0003701211090000044
采用下式将垂直系IMU数据转换到水平系：
Figure BDA0003701211090000051
Figure BDA0003701211090000052
2)水平系IMU数据静基座粗对准
针对转换得到的水平系IMU数据Ab0、Wb0，采用传统静基座粗对准方法得到水平系姿态角1(俯仰角θ和滚转角γ)；采用装订的方位角ψ初始化航向角，最终完成水平系姿态粗对准。
(3)垂直系/水平系精对准
记
Figure BDA0003701211090000053
为粗对准后导航系到垂直系的坐标转换矩阵，即粗对准后垂直系姿态阵；记
Figure BDA0003701211090000054
为粗对准后导航系到水平系的坐标转换矩阵，即粗对准后水平系姿态阵。通过水平系粗对准可得到水平系姿态阵
Figure BDA0003701211090000055
再通过下式即可得到垂直系姿态阵
Figure BDA0003701211090000056
Figure BDA0003701211090000057
基于垂直系姿态阵
Figure BDA0003701211090000058
垂直系IMU数据Ab和Wb，采用传统的组合导航方法进行组合导航，进而完成垂直系姿态1的精对准；也可直接基于水平系姿态阵
Figure BDA0003701211090000059
水平系IMU数据Ab0和Wb0，采用传统的组合导航方法进行组合导航，直接完成水平系姿态1的精对准。
(4)水平系航向再装订
记
Figure BDA00037012110900000510
为精对准后的垂直系姿态阵2，记
Figure BDA00037012110900000511
为精对准后的水平系姿态阵2，通过下式将垂直系姿态阵
Figure BDA00037012110900000512
转换为水平系姿态阵
Figure BDA00037012110900000513
Figure BDA00037012110900000514
采用传统的姿态阵解析为-231姿态角的方法，对水平系姿态阵
Figure BDA00037012110900000515
进行解析，得到精对准后水平系姿态角θ2、γ2、ψ2。重新装订航向角ψ，并和θ2、γ2结合，转换得到航向再装订后的水平系姿态阵
Figure BDA00037012110900000516
(5)对准结果垂直系转换。
记
Figure BDA0003701211090000061
为航向再装订后的垂直系姿态阵3，通过下式将水平系姿态阵
Figure BDA0003701211090000062
转换为垂直系姿态阵
Figure BDA0003701211090000063
Figure BDA0003701211090000064
由于垂直发射***的姿态阵多为发射系姿态阵，因此，通过下式转换得到最终的发射系姿态阵
Figure BDA0003701211090000065
Figure BDA0003701211090000066
再采用传统的姿态阵解析为321姿态角的方法，得到发射系姿态角。
至此，对准过程结束。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1坐标系建立：建立水平系、垂直系、北天东导航坐标系和前上右发射坐标系；
S2水平系粗对准：采集所述S1垂直系中的IMU数据，将垂直系IMU数据转换为S1水平系中的IMU数据，再利用S1水平系中的IMU数据进行水平系姿态对准，得到水平系姿态角1，再通过装订得到方位角，再将所述方位角赋值得到水平系航向角，将水平系航向角与水平系姿态角1结合得到水平系姿态阵1；
S3水平系精对准：基于S2得到的水平系姿态阵1和S1得到的水平系中的IMU数据，进行组合导航，完成水平系姿态阵1的精对准,得到水平系姿态阵2；
S4水平系航向再装订：基于S3得到的精对准后的水平系姿态阵2，对水平系姿态阵2进行解析，得到精对准后水平系姿态角2，再将水平系航向角与水平系姿态角2结合，转换得到航向再装订后的水平系姿态阵3；
S5对准结果垂直系转换：基于S4得到的水平系姿态阵3，将水平系姿态阵3转化为垂直系姿态阵3，再将垂直系姿态阵3转化为发射系姿态阵，最后对发射系姿态阵进行姿态角解析，得到发射系姿态角。
2.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S3还能够将水平系姿态阵1转化为垂直系姿态阵1，基于垂直系姿态阵1，采用组合导航方法进行组合导航，完成垂直系姿态阵1的精对准,得到垂直系姿态阵2。
3.根据权利要求2所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，基于垂直系姿态阵2，先将垂直系姿态阵2转化为水平系姿态阵2，再进行水平系航向再装订，得到水平系姿态阵3。
4.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S2中，垂直系IMU数据转换为S1水平系中的IMU数据的方法为坐标系转换法。
5.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S2中，水平姿态对准的方式为静基座粗对准方法。
6.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S2中水平系姿态角包括俯仰角和滚转角。
7.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S4中使用姿态阵解析为-231姿态角的方法对水平系姿态阵2进行解析。
8.根据权利要求1所述的一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法，其特征在于，所述S5中使用姿态阵解析为321姿态角的方法对发射系姿态阵进行姿态角解析。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述一种大角度范围的高精度垂直发射对准方法的步骤。
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