首先设定如下坐标系:地心地固坐标系(e系)、载体坐标系(b系)、初始时刻的与e系重合并凝滞的坐标系e0系以及初始时刻与b系重合并凝滞的坐标系b0系,则b系到e系的方向余弦阵可做如下链式分解:
Cbe=Ce0e∗Cb0e0∗Cbb0 C_b^e = C_{e0}^{e} * C_{b0}^{e0} * C_b^{b0} Cbe=Ce0e∗Cb0e0∗Cbb0
因为:
C˙ee0=Cee0(ωiee×)=Cee0Ωiee \dot C_{e}^{e0} = C_{e}^{e0} (\omega_{ie}^e ×) = C_{e}^{e0} \Omega_{ie}^e C˙ee0=Cee0(ωiee×)=Cee0Ωiee
可得:
Cee0=I+sin(ωiet)ωietΩieet+1−cos(ωiet)(ωiet)2(Ωieet)2 C_{e}^{e0} = I + \frac{sin(\omega_{ie}t)}{\omega_{ie}t}\Omega_{ie}^e t + \frac{1-cos(\omega_{ie}t)}{(\omega_{ie}t)^2}(\Omega_{ie}^e t)^2 Cee0=I+ωietsin(ωiet)Ωieet+(ωiet)21−cos(ωiet)(Ωieet)2
其中:ωie=∣ωiee∣\omega_{ie} = |\omega_{ie}^e|ωie=∣ωiee∣,t为从开始到现在的时间长度。
因为:
C˙bb0=Cbb0(ωb0bb×)=Cbb0(ωibb×)=Cbb0Ωibb \dot C_{b}^{b0} = C_{b}^{b0} (\omega_{b0b}^b ×) = C_{b}^{b0} (\omega_{ib}^b ×) = C_{b}^{b0} \Omega_{ib}^b C˙bb0=Cbb0(ωb0bb×)=Cbb0(ωibb×)=Cbb0Ωibb
可得:
Cbb0=I+sin(ωibt)ωibtΩibbt+1−cos(ωibt)(ωibt)2(Ωibbt)2 C_{b}^{b0} = I + \frac{sin(\omega_{ib}t)}{\omega_{ib}t}\Omega_{ib}^b t + \frac{1-cos(\omega_{ib}t)}{(\omega_{ib}t)^2}(\Omega_{ib}^b t)^2 Cbb0=I+ωibtsin(ωibt)Ωibbt+(ωibt)21−cos(ωibt)(Ωibbt)2
其中:ωib=∣ωibb∣\omega_{ib} = |\omega_{ib}^b|ωib=∣ωibb∣,t为从开始到现在的时间长度。但是应用中:
Cbb0(t)=Cbb0(t−1)[I+sin(ωibΔt)ωibΔtΩibbΔt+1−cos(ωibΔt)(ωibΔt)2(ΩibbΔt)2] C_{b}^{b0} (t) = C_{b}^{b0} (t-1) [I + \frac{sin(\omega_{ib} \Delta t)}{\omega_{ib} \Delta t}\Omega_{ib}^b \Delta t + \frac{1-cos(\omega_{ib} \Delta t)}{(\omega_{ib} \Delta t)^2}(\Omega_{ib}^b \Delta t)^2] Cbb0(t)=Cbb0(t−1)[I+ωibΔtsin(ωibΔt)ΩibbΔt+(ωibΔt)21−cos(ωibΔt)(ΩibbΔt)2]
此时等效旋转矢量也为Δt\Delta tΔt时间内的。不需限制ωibb\omega_{ib}^{b}ωibb大小,具有很强的抗角运动的能力;
下面计算Cb0e0C_{b0}^{e0}Cb0e0
将e系中的重力矢量投影到e0l系:
ge0=Cee0ge g^{e0} = C_{e}^{e0} g^{e} ge0=Cee0ge
将b系中的比力投影到b0系:
fsfb0=Cbb0fsfb f_{sf}^{b0} = C_{b}^{b0} f_{sf}^b fsfb0=Cbb0fsfb
容易得到:
Cb0e0fsfb0=−ge0 C_{b0}^{e0} f_{sf}^{b0} = -g^{e0} Cb0e0fsfb0=−ge0
即:
Cb0e0Cbb0fsfb=−Cee0ge C_{b0}^{e0} C_{b}^{b0} f_{sf}^b = -C_{e}^{e0} g^{e} Cb0e0Cbb0fsfb=−Cee0ge
实际上加计测量的比力总是含有误差,对准过程中多多少少会有载体线加速度误差,所以上式应为:
Cb0e0(Cbb0fsfb−∇b0)=−Cee0ge C_{b0}^{e0} (C_{b}^{b0} f_{sf}^b - \nabla^{b0} ) = -C_{e}^{e0} g^{e} Cb0e0(Cbb0fsfb−∇b0)=−Cee0ge
为了消除上述误差的影响,考虑对其进行积分,于是一次积分:
(1)Cb0e0Fb0=Ge0 \tag{1} C_{b0}^{e0} F^{b0} = G^{e0} Cb0e0Fb0=Ge0(1)
其中:Fb0=∫0Δt(Cbb0fsfb−∇b0)dtF^{b0} = \int_0^{\Delta t} (C_{b}^{b0} f_{sf}^b - \nabla^{b0}) dtFb0=∫0Δt(Cbb0fsfb−∇b0)dt,Ge0=−∫0ΔtCee0gedtG^{e0} = -\int_0^{\Delta t} C_{e}^{e0} g^{e} dtGe0=−∫0ΔtCee0gedt
从开始到现在经过的时间为t,选取0.5t为另一矢量:F0.5tb0,G0.5te0F^{b0}_{0.5t}, G^{e0}_{0.5t}F0.5tb0,G0.5te0,得到基于速度的双矢量定姿:
Cb0e0[Fb0∣Fb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣]=[Ge0∣Ge0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣] C_{b0}^{e0} \begin{bmatrix} \frac{F^{b0}}{|F^{b0}|} & \frac{F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}}{|F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}|} & \frac{F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}×F^{b0}}{|F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}×F^{b0}|} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \frac{G^{e0}}{|G^{e0}|} & \frac{G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}}{|G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}|} & \frac{G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}×G^{e0}}{|G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}×G^{e0}|} \end{bmatrix} Cb0e0[∣Fb0∣Fb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0]=[∣Ge0∣Ge0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣Ge0×G0.5te0×Ge0]
得到:
Cb0e0=[Ge0∣Ge0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣][Fb0∣Fb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣]−1 C_{b0}^{e0} = \begin{bmatrix} \frac{G^{e0}}{|G^{e0}|} & \frac{G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}}{|G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}|} & \frac{G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}×G^{e0}}{|G^{e0}×G^{e0}_{0.5t}×G^{e0}|} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} \frac{F^{b0}}{|F^{b0}|} & \frac{F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}}{|F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}|} & \frac{F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}×F^{b0}}{|F^{b0}×F^{b0}_{0.5t}×F^{b0}|} \end{bmatrix} ^{-1} Cb0e0=[∣Ge0∣Ge0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0∣Ge0×G0.5te0×Ge0∣Ge0×G0.5te0×Ge0][∣Fb0∣Fb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0∣Fb0×F0.5tb0×Fb0]−1
另外,还可以对公式(1)再进行一次积分,得到基于位置的双矢量定姿,在此不再过多介绍。可以看出,两次积分使得误差项∇b0\nabla^{b0}∇b0几乎可以忽略,即增强了抗线晃动的能力。
测试
另将对准期间的IMU数据作平均处理后,选取e系的重力与地球自转角速度作为双矢量,选取b系的比力与角速度作为双矢量,进行对准。载体处于准静止状态,即没有进行晃动模拟,对准时长为20分钟,对准结束后继续静止250s,进行惯导解算。本方案的对准结果如下:

基于惯性系的对准方案解算结果如下:

对比两幅图可以看出,基于惯性系的对准方案并没有取得很好的对准效果,甚至在X方向的漂移误差很大,所以对于准静态的载体而言,基于惯性系的对准方案并不合适,另外该方案计算量较大,降低了可用性。但是对于晃动的载体而言,基于惯性系的这种抗晃动的对准方案应该会具有很大的优势,但是没有实践过便没有发言权。
另外,这两种对准方法只是粗对准的方案,对于精度要求高的惯导,还是要进行精对准。看过一些文献,基于速度量测的卡尔曼滤波算法会有比较高的精度,后面会进行尝试。
参考:
[1]严恭敏,翁浚.捷联惯导算法与组合导航原理讲义.
[2]严恭敏,白亮,翁浚,秦永元.基于频域分离算子的SINS抗晃动干扰初始对准算法[J].宇航学报,2011,32(07):1486-1490.