專利名稱：一種機(jī)載分布式pos的傳遞對準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，可用于提高載機(jī)存在撓曲變形時分布式POS的傳遞對準(zhǔn)精度。
背景技術(shù)：
航空遙感是以飛機(jī)為觀測平臺，利用各種成像載荷獲取地球表面或表層的大范圍、高精度圖像的戰(zhàn)略技術(shù)，對國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全具有重大意義。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空遙感不斷向著高分辨率、高精度、多遙感載荷集成及陣列載荷方向發(fā)展。為實現(xiàn)遙感載荷的高精度成像，飛機(jī)需做勻速直線運動，但飛機(jī)在實際飛行中受氣流擾動、飛控系統(tǒng)誤差等因素影響，必然偏離理想的勻速直線運動，導(dǎo)致遙感成像分辨率和精度嚴(yán)重下降。因此，高精度航空遙感必須進(jìn)行運動補(bǔ)償。位置姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)是一種特殊的慣性/衛(wèi)星組合測量系統(tǒng),可精確測量遙感載荷中心的位置、速度和姿態(tài)等運動參數(shù)，是高分辨率航空遙感系統(tǒng)實現(xiàn)運動補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵設(shè)備。但是對于裝備了多個觀測載荷的高性能航空遙感系統(tǒng)，由于多個觀測載荷安裝在飛機(jī)的不同位置，飛機(jī)彈性變形導(dǎo)致載荷間的空間相對關(guān)系發(fā)生變化。此時，采用傳統(tǒng)的單一 POS無法實現(xiàn)多點的高精度位置姿態(tài)測量。因此，必須建立起高精度分布式時空基準(zhǔn)系統(tǒng)(分布式P0S)為高性能航空遙感系統(tǒng)中所有載荷提供高精度的時間、空間信息。分布式POS由主導(dǎo)航系統(tǒng)和子慣性測量單元組成。其中主導(dǎo)航系統(tǒng)即為采用高精度慣性測量單元的P0S，可精確測量載體的運動參數(shù)；子慣性測量單元采用低精度的慣性測量單元。主慣性測量單元(導(dǎo)航解算后稱為主慣導(dǎo))通常安裝在機(jī)腹中央，子慣性測量單元(導(dǎo)航解算后稱為子慣導(dǎo))安裝在機(jī)翼兩側(cè)的不同載荷附近，用于測量載荷中心的運動參數(shù)。但是，子慣導(dǎo)精度不高，測量誤差隨時間累積，需要主慣導(dǎo)不斷對其進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)，以達(dá)到高精度測量。在傳遞對準(zhǔn)過程中，主慣導(dǎo)與GPS信息進(jìn)行融合后所提供的信息可視為高精度的參考信息。利用精度較高的主慣導(dǎo)來校準(zhǔn)子慣導(dǎo)的傳遞對準(zhǔn)技術(shù)就是設(shè)法估計出失準(zhǔn)角并消除其影響，提高對準(zhǔn)精度。因此傳遞對準(zhǔn)的核心是確定主慣性測量單元與子慣性測量單元之間的姿態(tài)失準(zhǔn)角。此時，在飛機(jī)飛行過程中，主慣性測量單元與子慣性測量單元之間的姿態(tài)失準(zhǔn)角包括兩部分固定安裝誤差角和機(jī)翼彈性運動引起的撓曲變形角。其中，固定安裝誤差角是常值，并且不受外界干擾的影響，容易確定。而撓曲變形角是由載機(jī)機(jī)動、載機(jī)內(nèi)部振源或陣風(fēng)等使載機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生撓曲變形而產(chǎn)生的動態(tài)變形角，不易確定，對傳遞對準(zhǔn)的精度影響較大。現(xiàn)有的對撓曲變形角進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N一種是用經(jīng)驗建模的方法，將機(jī)翼的撓曲變形考慮為二階或三階的馬爾科夫過程，并將撓曲變形角增廣為卡爾曼濾波的狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波估計出該撓曲變形角并進(jìn)行補(bǔ)償。用此方法時，模型的有關(guān)參數(shù)全憑經(jīng)驗設(shè)定。并且，對于安裝在機(jī)翼不同位置的子慣性測量單元，經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃湍Ｐ蛥?shù)也完全相同。而對于安裝在機(jī)翼不同位置的子慣性測量單元來說，撓曲運動變形是有明顯差別的?？拷鼨C(jī)腹處的撓曲變形程度較低，而靠近機(jī)翼尖端處的撓曲變形程度較高。這種不加區(qū)分的對整個機(jī)翼建立統(tǒng)一的撓曲變形運動模型是不夠精確的，必然影響了傳遞對準(zhǔn)的精度；另一種補(bǔ)償方法是采用加大卡爾曼濾波器過程噪聲矩陣來減小機(jī)翼變形和振動的影響。此方法是依據(jù)真實模型的協(xié)方差分析結(jié)果來確定注入白噪聲的強(qiáng)度，即通過加大過程噪聲來補(bǔ)償建模的撓曲變形。該方法除了可以補(bǔ)償撓曲運動外，還可以增加濾波器的魯棒性，但是以降低傳遞對準(zhǔn)的精度為代價的。對于機(jī)載分布式POS來說，其用途是運動補(bǔ)償，因此對傳遞對準(zhǔn)精度要求較高，現(xiàn)有的對機(jī)翼撓曲變形進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膬煞N方法都很難保證對準(zhǔn)精度
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，該方法可提高載機(jī)機(jī)翼存在撓曲變形時分布式POS的傳遞對準(zhǔn)精度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，具體步驟如下機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)是利用卡爾曼濾波技術(shù)估計出主、子慣性測量單元間的失準(zhǔn)角，包括固定安裝誤差角λ和撓曲變形角μ。利用主慣性測量單元與GPS進(jìn)行信息融合后得到的基準(zhǔn)信息，對主、子慣性測量單元的失準(zhǔn)角進(jìn)行校正，最終獲得每個子慣性測量單元安裝點的高精度速度、姿態(tài)信息，完成傳遞對準(zhǔn)。(I)利用力學(xué)的方法建立載機(jī)機(jī)翼撓曲變形的運動模型，得到撓曲變形角μ和撓曲變形角速度々的運動方程；(2)采用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行主慣性測量單元與GPS的信息融合，獲得主慣性測量單元安裝點的速度和姿態(tài)基準(zhǔn)信息；(3)采用“速度+姿態(tài)”匹配方式建立卡爾曼濾波模型，將機(jī)翼由于撓曲變形運動產(chǎn)生的撓曲變形角μ和撓曲變形角速度A，增廣為卡爾曼濾波的狀態(tài)變量。通過卡爾曼濾波估計出主、子慣性測量單元間速度誤差，固定安裝誤差角λ和撓曲變形角μ ；(4)利用步驟(2)得到的基準(zhǔn)信息和步驟(3)估計出的主、子慣性測量單元間的姿態(tài)失準(zhǔn)角，對每個子慣性測量單元的速度和姿態(tài)進(jìn)行校正，最終獲得每個子慣性測量單元安裝點的高精度的速度和姿態(tài)信息。上述所采用的對機(jī)翼撓曲變形進(jìn)行建模的方法為一種基于力學(xué)的建模方法，該方法的具體步驟為(I)利用ANSYS軟件對機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)翼的第一階彎曲模態(tài)頻率 m和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率ωη;(2)建立機(jī)翼彎曲和扭轉(zhuǎn)運動與時間相關(guān)項的數(shù)學(xué)方程為
權(quán)利要求
1.一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，具體步驟為 (1)利用力學(xué)的方法建立載機(jī)機(jī)翼撓曲變形的運動模型，得到撓曲變形角μ和撓曲變形角速度A的運動方程； (2)采用卡爾曼濾波技術(shù)進(jìn)行主慣性測量單元與GPS的信息融合，獲得主慣性測量單元安裝點的速度和姿態(tài)基準(zhǔn)信息； (3)采用“速度+姿態(tài)”匹配方式建立卡爾曼濾波模型，將機(jī)翼因撓曲變形運動產(chǎn)生的撓曲變形角μ和撓曲變形角速度P，增廣為卡爾曼濾波的狀態(tài)變量，通過卡爾曼濾波估計出主、子慣性測量單元間的姿態(tài)失準(zhǔn)角； (4)利用步驟(2)得到的基準(zhǔn)信息和步驟(3)估計出的主、子慣性測量單元間的姿態(tài)失準(zhǔn)角，對每個子慣性測量單元計算出速度、姿態(tài)進(jìn)行校正，最終獲得每個子慣性測量單元安裝點的經(jīng)校正后的速度和姿態(tài)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，所述的步驟(I)利用基于力學(xué)的方法建立載機(jī)機(jī)翼撓曲變形運動模型，其具體步驟為 (I. D利用有限元軟件對機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)翼的第一階彎曲模態(tài)頻率ωπ和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率ωη ； (1.2)建立機(jī)翼彎曲和扭轉(zhuǎn)運動與時間相關(guān)項的數(shù)學(xué)方程為
全文摘要
一種機(jī)載分布式POS的傳遞對準(zhǔn)方法，利用力學(xué)的方法對載機(jī)機(jī)翼的撓曲運動進(jìn)行建模，并將由機(jī)翼撓曲運動產(chǎn)生的撓曲變形角和撓曲變形角速度增廣為卡爾曼濾波的狀態(tài)變量。在此基礎(chǔ)上，采用“速度+姿態(tài)”的匹配方式設(shè)計卡爾曼濾波器，利用主慣性測量單元與GPS進(jìn)行信息融合后得到的速度、姿態(tài)基準(zhǔn)信息對子慣性測量單元進(jìn)行傳遞對準(zhǔn)，最終獲得每個子慣性測量單元安裝點的經(jīng)校正后的速度和姿態(tài)信息。本發(fā)明具有自主性強(qiáng)、精度高的特點，可用于提高載機(jī)存在撓曲變形時分布式POS的傳遞對準(zhǔn)精度。
文檔編號G01S19/49GK102621565SQ20121011339
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者宮曉琳, 張舟, 房建成, 郭佳 申請人:北京航空航天大學(xué)