CN115326008A - 一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 - Google Patents
一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115326008A CN115326008A CN202210862963.7A CN202210862963A CN115326008A CN 115326008 A CN115326008 A CN 115326008A CN 202210862963 A CN202210862963 A CN 202210862963A CN 115326008 A CN115326008 A CN 115326008A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- star
- inertial navigation
- error
- attitude
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
- G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C1/00—Measuring angles
- G01C1/02—Theodolites
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
- G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
- G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
- G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法,包括以下步骤:一是经纬仪测星,记录星体理论和实测指向;二是利用惯性导航***输出姿态将实测指向转换到地平系,并计算星体大地角误差;三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。该方法可以在动态条件下实现惯导***姿态误差和时间延迟估计,操作简单方便、自动化程度高、估计精度高,具有较强的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域,尤其涉及一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法。
背景技术
航天测量船上搭载的测量设备一般采用单站定位体制,且平台在运动。因此,要想获得高精度的目标信息,船载惯性导航***提供的姿态信息精度至为关键。由于缺少更高精度的参考基准,动态条件下如何检测惯导***姿态角精度一直是比较困难的问题。
CNKI库中《经纬仪测星评估惯导***姿态角误差方法》(潘良、赵文华、刘新明、赵李健;中国惯性技术学报;2011年6月第3期)一文公开了一种利用经纬仪测星解算惯导姿态角误差的方法。但由于未考虑机抖激光陀螺惯性导航***输出中较大的时间延迟,导致动态条件下姿态误差估计精度较差。此外,为保证估计精度,一般需要测量至少10颗以上象限分布均匀的恒星,而这在不良天气下是无法实现的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法。该方法可以同时估计惯导***的姿态误差和时间延迟,有效补偿时间延迟的影响,显著提高惯导姿态误差估计的精度和可用性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为:一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法,所述方法包括以下步骤:
步骤一、经纬仪测星,记录星体理论和实测指向;
利用经纬仪内置星表信息及卫星导航***提供的位置和时间信息,经纬仪***软件可进行恒星岁差改正、自行改正、章动改正、光行差改正等天文计算,得到星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E。
当经纬仪对恒星观测时,经纬仪直接测量值由编码器输出AEncoder、EEncoder和脱靶量输出AMiss、EMiss两部分组成,即:
经轴系参数和蒙气差修正后,可得经纬仪在甲板系下的实测指向:
式中,Ac、Ec为修正后的经纬仪实测指向,.A0.、E0为方位、俯仰零位,V、Vα为垂直轴误差幅值和最大倾斜方向,B为横轴差,C为照准差,EAir为蒙气差修正量,可由下式近似计算:
其中,T为温度,P为大气压强。
步骤二、利用惯性导航***输出姿态将实测指向转换到地平系,并计算星体大地角误差;
步骤一中给出的星体理论指向(A,E)由天文计算得出,可忽略计算误差。实测指向(Ac,Ec)因经纬仪测角精度很高,也是非常准确的。因此,有如下关系式成立:
实际中,经纬仪接收到的惯导姿态信息只能计算得到其主要误差包含两方面误差:一是惯导的真实姿态误差;二是时间延迟Δt带来的误差。将惯导计算姿态矩阵带入(17)式,则地平系下的惯导计算星体视线矢量可表示为如下形式:
惯导转换的星体大地角误差可计算如下:
步骤三、惯导***姿态误差及时间延迟估计。
将Error!Reference source not found.式与(17)式做差并忽略二阶小量,可得如下关系式:
其中,ωθ、ωψ、ωK分别表示船体的横摇角、纵摇角和航向角。
其中,
当观测至少两颗恒星时,可以获取多个观测量ΔAi、ΔEi(i=1,2,...,k),令
H=[ΔA1 ΔE1 … ΔAk ΔEk]T (13)
X=[φU φE φN Δt]T (14)
用最小二乘法解由Error!Reference source not found.式组成的方程组,得:
X=(FTF)FTH (15)
由此,可同时估计惯导姿态误差φ=[-φN φU -φE]T和时间延迟Δt。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
一是能够同时估计惯导***的姿态角误差和时间延迟,解决了现有技术动态姿态误差估计精度差的问题;二是基于测量船现有条件实现,操作简单方便,自动化程度高,且在恶劣海况和不良天气下也可保证较高的估计精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图;
图2为经纬仪与捷联惯导安装关系示意图;
图3为星体理论方位角和俯仰角曲线;
图4为惯导计算星体大地角误差曲线;
图5为惯导姿态误差估计结果曲线;
图6为惯导时间延迟估计结果曲线;
图7为惯导姿态误差及时间延迟补偿后星体大地角误差。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图1为本发明的流程示意图,一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法,包含以下步骤::一是经纬仪测星,记录星体理论和实测指向;二是利用惯性导航***输出姿态将实测指向转换到地平系,并计算星体大地角误差;三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。
实施例:
实施过程基于某测量船搭载的某型捷联惯导和某型光学经纬仪进行。设备安装关系如图2所示。捷联惯导与经纬仪安装在同一吊桶,保证了设备间的刚性连接,试验前惯导与光学设备已在坞内进行坐标系取齐。
1、经纬仪测星,记录星体理论和实测指向
经纬仪内置星表基于第五基本星表(FK5)建立,具体格式及示例如表1所示。利用表1中信息及卫星导航设备提供的位置和时间信息,经纬仪***软件可解算星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E。
表1***内置星表格式及示例
试验过程中,通过捷联惯导引导经纬仪观测仰角在20°~60°之间、方位分布均匀的n颗星,每颗星录取2s数据,同步录取采样时刻的时间、船位和惯导姿态角信息。为更好的说明试验效果,本实施例共观测16颗星,每颗星跟踪40s,其方位角A和俯仰角E分布如图3所示。
经纬仪直接观测到的编码器和脱靶量信息经轴系参数和蒙气差修正得到甲板系下的实测方位角Ac和俯仰角Ec。
2、利用惯性导航***输出姿态将实测指向转换到地平系,并计算星体大地角误差
3、利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟
为了验证算法的精度和可用性,试验中分别取2颗、16颗恒星的随机2s数据参与解算,每组计算50次,姿态角误差和时间延迟估计曲线分别如图5、图6所示,统计结果如表2所示。可见,算法的重复性精度高,而且在仅用2颗星数据时也能够得到较高的估计精度,保证了算法在不良天气条件下观星比较少时的可用性。利用2颗星解算结果的均值补偿惯导姿态误差和时间延迟后,重新计算星体大地角误差曲线如图7所示。可见,惯导计算星体大地角误差对比图4明显变小,表明惯导姿态误差和时间延迟得到准确估计和补偿。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例,但是应该清楚地理解,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法,其特征在于:所述方法包括以下步骤:一是经纬仪测星,记录星体理论和实测指向;二是利用惯性导航***输出姿态将实测指向转换到地平系,并计算星体大地角误差;三是利用星体大地角误差值计算惯导姿态误差和时间延迟。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法,其特征在于:所述方法具体包括以下步骤:
步骤一、利用经纬仪内置星表信息及卫星导航***提供的位置和时间信息,经纬仪***软件进行天文计算,得到星体在地平坐标系下的星体理论方位角A和俯仰角E;
步骤二、根据关系式
根据上述公式计算得到经纬仪实测值经惯导计算姿态矩阵转换后的大地方位角和俯仰角:
则惯导转换的星体大地角误差可由以下公式计算得到:
步骤三、将(5)式与(4)式做差并忽略二阶小量,得如下关系式:
其中,
当观测至少两颗恒星时,可以获取多个观测量ΔAi、ΔEi(i=1,2,...,k),令
H=[ΔA1 ΔE1 … ΔAk ΔEk]T
X=[φU φE φN Δt]T
用最小二乘法解由Error!Reference source not found.式组成的方程组,得:X=(FTF)FTH
由此,可同时估计惯导姿态误差φ=[-φN φU -φE]T和时间延迟Δt。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210862963.7A CN115326008A (zh) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | 一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210862963.7A CN115326008A (zh) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | 一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN115326008A true CN115326008A (zh) | 2022-11-11 |
Family
ID=83919421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210862963.7A Pending CN115326008A (zh) | 2022-07-21 | 2022-07-21 | 一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN115326008A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117191087A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 船载光电经纬仪与惯导坞外轴系的取齐方法 |
-
2022
- 2022-07-21 CN CN202210862963.7A patent/CN115326008A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117191087A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-08 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 船载光电经纬仪与惯导坞外轴系的取齐方法 |
CN117191087B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-01-23 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 船载光电经纬仪与惯导坞外轴系的取齐方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110926468B (zh) | 基于传递对准的动中通天线多平台航姿确定方法 | |
CN106289246B (zh) | 一种基于位置和姿态测量***的柔性杆臂测量方法 | |
CN109633724B (zh) | 基于单星与多地面站联合测量的无源目标定位方法 | |
CN111380518B (zh) | 一种引入径向速度的sins/usbl紧组合导航定位方法 | |
CN101788296A (zh) | 一种sins/cns深组合导航***及其实现方法 | |
CN113311436A (zh) | 一种移动平台上激光测风雷达运动姿态测风订正方法 | |
CN110657808B (zh) | 一种机载光电吊舱有源目标定位方法及*** | |
CN112378399B (zh) | 基于捷联惯导和数字全站仪的煤矿巷道掘进机器人精确定位定向方法 | |
CN107976169B (zh) | 一种基于恒星观测的船载惯导姿态角时序检测方法 | |
CN110672128B (zh) | 一种星光/惯性组合导航及误差在线标定方法 | |
CN104049269A (zh) | 一种基于激光测距和mems/gps组合导航***的目标导航测绘方法 | |
CN115326008A (zh) | 一种基于恒星观测的船载惯导***姿态误差和时间延迟动态估计方法 | |
CN111623770A (zh) | 一种基于速度误差开环修正的提高惯性制导精度的方法 | |
CN114935344A (zh) | 一种用于船舶导航***的姿态角动态对准方法 | |
CN110082033B (zh) | 一种运动状态下的水上载体重心测量装置和方法 | |
CN114063054A (zh) | 一种火箭发射点参数的回溯计算方法 | |
CN111721282B (zh) | 一种基于天文导航原理的捷联惯导坐标系动态取齐方法 | |
CN110940357B (zh) | 一种用于旋转惯导单轴自对准的内杆臂标定方法 | |
CN105627982A (zh) | 一种远程运载器倾斜瞄准方法 | |
CN108917789B (zh) | 一种基于俯仰轴和横滚轴相对夹角的倾角仪正交性评估方法 | |
CN111637883A (zh) | 基于速度和位置误差闭环反馈的提高惯性制导精度的方法 | |
CN111897370B (zh) | 基于航姿仪的动态天线跟星参数校正方法 | |
CN114111805B (zh) | 运载火箭多源多类测量数据位置基准高精度对齐方法 | |
RU2375679C2 (ru) | Инерциально-спутниковая система навигации, ориентации и стабилизации | |
CN111999737B (zh) | 一种多波束星载激光测高仪在轨联合检校的方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |