一种基于虚拟框架载体坐标系惯性导航系统姿态解耦方法与流程

测量装置的制造及其应用技术1.本发明属于惯性导航系统应用技术领域，尤其涉及一种基于虚拟框架载体坐标系惯性导航系统姿态解耦方法。背景技术：2.运载体在机动过程中存在三个方向载体角运动，三轴旋转式惯性导航系统为保持台体稳定在导航载体坐标系，需通过三框联动方式，完全隔离外部角运动，三轴联动过程中三个方向轴摆角误差之间存在相互耦合，单轴旋转式惯性导航系统可从数学定义上假设电机载体坐标系“虚拟内框”和“虚拟中框”方向与台体载体坐标系水平方向一致，因此不存在轴角误差之间的相互耦合，三轴旋转式惯性导航系统三框电机敏感轴由于加工装配造成彼此之间非正交，同时由于旋转过程中轴摆角误差的常值、正弦等误差因素影响，姿态解耦时三框彼此之间产生耦合，无法采用与单轴旋转式惯性导航系统一样的数学假设，三轴旋转式惯性导航系统的轴摆角误差补偿较单轴/双轴旋转式惯性导航系统更为复杂。3.针对上述问题，本发明提供了一种基于虚拟框架载体坐标系的三轴旋转式惯性导航系统高精度姿态解耦方法，即实现非耦合状态下的三框数据表示三轴旋转式惯性导航系统姿态。技术实现要素：4.本发明提供了一种基于虚拟框架载体坐标系的三轴旋转式惯性导航系统高精度姿态解耦方法，为了解决现有技术中三轴旋转式惯性导航系统的姿态解耦和高精度轴摆角误差补偿，实现三轴旋转式惯性导航系统高精度姿态输出。5.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于虚拟框架载体坐标系惯性导航系统姿态解耦方法，包括如下步骤：s1.台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系转换，s2.虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系转换，s3.虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系转换，s4.虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系转换，s5. 依次完成s1、s2、s3、s4四步转换，获得台体载体坐标系到舰船载体坐标系姿态矩阵，实现姿态解耦。6.其中s1步骤台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系转换为台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系的姿态矩阵：其中为台体姿态矩阵， 为台体到虚拟内框的轴摆角误差矩阵，为虚拟内框旋转矩阵，为与虚拟内框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，,， ，上式中、、分别为台体的横摇角、纵摇角和航向角，角度为虚拟内框轴转动角度，、为虚拟内框轴摆角常值误差；、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角误差幅值，、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。7.其中s2步骤虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系转换为虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系姿态矩阵：其中为虚拟内框载体坐标系到虚拟中框的轴摆角误差矩阵，为虚拟中框旋转矩阵，为与虚拟中框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，， ，上式中角度为虚拟中框轴转动角度，、为虚拟中框轴摆角常值误差；、为虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆误差幅值，、为与虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。8.其中s3步骤虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系转换为虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系姿态矩阵：其中为虚拟中框载体坐标系到虚拟外框的轴摆角误差矩阵，为虚拟外框旋转矩阵，为与虚拟外框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，， ，上式中角度为虚拟外框轴转动角度，、为虚拟外框轴摆角常值误差；、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角误差幅值，、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。9.其中s4步骤虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系转换为虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系姿态矩阵：当虚拟外框载体坐标系与舰船载体坐标系不重合时，通过标定或测量计算出舰船相对于惯性导航系统的姿态零位：表示横摇角零位、表示纵摇角零位和表示航向角零位。10.其中步骤5中台体载体坐标系到舰船载体坐标系转换矩阵为：。11.本发明的有益效果是：本发明提供了一种三轴旋转式惯性导航系统姿态解耦方法，通过虚拟三框架载体坐标系，同时考虑轴摆误差角与旋转角相关的正弦误差项，将台体载体坐标系解耦至舰船载体坐标系，实现三轴旋转式惯性导航系统高精度姿态解耦，具有较高的工程应用价值。具体实施方式12.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。13.理想情况下，舰船载体姿态矩阵一般可以表示为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)为台体姿态矩阵，为虚拟内框载体坐标系至初始虚拟内框载体坐标系的转换矩阵，为虚拟中框载体坐标系至初始虚拟内框载体坐标系的转换矩阵，为虚拟外框载体坐标系至初始虚拟外框载体坐标系的转换矩阵，为舰船载体姿态矩阵。14.三轴旋转式惯性导航系统轴摆角误差补偿方法依次为：台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系补偿，虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系补偿，虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系补偿，虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系补偿。15.而舰船载体姿态矩阵依次通过台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系转换，虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系转换，虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系转换，虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系转换，具体为：1 .台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系转换为台体姿态矩阵，由于轴摆角误差的影响，为台体到虚拟内框的轴摆角误差矩阵，为虚拟内框旋转矩阵，为与虚拟内框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，四者的乘积可得到台体载体坐标系到虚拟内框载体坐标系的姿态矩阵，具体为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)其中,， ,上式中、、分别为台体的横摇角、纵摇角和航向角，角度为虚拟内框轴转动角度，、为虚拟内框轴摆角常值误差；、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角误差幅值，、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟内框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。16.2 .虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系转换由于轴摆角误差的影响，为虚拟内框载体坐标系到虚拟中框的轴摆角误差矩阵，为虚拟中框旋转矩阵，为与虚拟中框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，三者的乘积可得到虚拟内框载体坐标系到虚拟中框载体坐标系姿态矩阵，具体为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)其中， ，上式中角度为虚拟中框轴转动角度，、为虚拟中框轴摆角常值误差；、为虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆误差幅值，、为与虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟中框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。17.3 .虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系转换由于轴摆角误差的影响，为虚拟中框载体坐标系到虚拟外框的轴摆角误差矩阵，为虚拟外框旋转矩阵，为与虚拟外框旋转相关的正弦轴摆角误差矩阵，三者的乘积可得到虚拟中框载体坐标系到虚拟外框载体坐标系姿态矩阵，具体为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(4)其中， ，上式中角度为虚拟外框轴转动角度，、为虚拟外框轴摆角常值误差；、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角误差幅值，、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角的角度系数值，、为与虚拟外框旋转角相关的正弦项轴摆角初始相位。18.4．虚拟外框载体坐标系到舰船载体坐标系转换为虚拟外框载体坐标系至舰船载体坐标系的转换矩阵，也可称为姿态零位矩阵。当虚拟外框载体坐标系与舰船载体坐标系不重合时，通过标定或测量计算出舰船相对于惯性导航系统的姿态零位：表示横摇角零位、表示纵摇角零位和表示航向角零位，此时 (5)一般只考察惯性导航系统姿态时，可将设为单位矩阵。19.5．台体载体坐标系到舰船载体坐标系转换由前面四个步骤，可得舰船载体姿态矩阵为：ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(6)通过上述公式可以对三轴旋转式惯性导航系统姿态解耦。实现用非耦合状态下的三框数据表示三轴旋转式惯性导航系统姿态。通过虚拟三框架载体坐标系，同时考虑轴摆误差角与旋转角相关的正弦误差项，获得台体载体坐标系到舰船载体坐标系转换矩阵，实现三轴旋转式惯性导航系统高精度姿态解耦，具有较高的工程应用价值。20.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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