一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與gps系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（gyro free strapdown inertial navigation system, GFSINS)與 GPS 系統(tǒng)的組合導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著飛機、導(dǎo)彈、潛艇及機器人技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，軍事和民用領(lǐng)域?qū)?dǎo)航新技術(shù) 的需求越來越迫切，對導(dǎo)航精度的要求越來越高，對導(dǎo)航系統(tǒng)其他各項性能，如自主性、穩(wěn) 定性、抗干擾能力等的要求也越來越全面。以現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)來看，單一類型的導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎 不可能同時滿足以上要求，因而近年來組合導(dǎo)航技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。組合導(dǎo)航是指兩 種或兩種以上導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合，組合后的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。目前應(yīng)用于組合導(dǎo)航系 統(tǒng)的導(dǎo)航類型主要有慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等。根據(jù)不同的導(dǎo)航需求，會將上述的 單類型導(dǎo)航按各自的優(yōu)缺點進行不同方式的組合。
[0003] 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（inertial navigation system, INS)利用自身的慣性敏感元件測 量航行體相對慣性空間的運動參數(shù)，在給定的運動初始條件下，由計算機解算出航行體的 位置、姿態(tài)、速度等參數(shù)，從而引導(dǎo)航行體完成預(yù)定的航行任務(wù)。慣性導(dǎo)航最主要的慣性敏 感元件是加速度計和陀螺儀，利用這兩種慣性元件與其它控制元件組成測量系統(tǒng)完成導(dǎo)航 參數(shù)的測量。它不依賴于任何外界信息，不受天然或人為的干擾，具有很好的隱蔽性，是一 種完全自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)。無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)由于摒棄了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護困難的陀螺，依 靠加速度計的空間位置組合即可代替陀螺測量載體的角運動參數(shù)，因而在承載慣性導(dǎo)航固 有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，更具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、使用方便，可靠性高等特征，繼而成為慣性導(dǎo) 航研宄的新熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和工藝水平的提高，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的各項性能已有 了大幅提升，但其固有的結(jié)構(gòu)特點使其在實際的工程應(yīng)用過程中也遇到一些新問題。例如， 由于慣性敏感器直接與運載體固連，運載體的角運動將直接傳遞給慣性敏感器而引起動態(tài) 誤差；需進行大量的坐標變換計算及動態(tài)誤差補償計算；對信號處理系統(tǒng)的容量、速度和 精度的要求較高等；但其最重要的缺點是誤差隨時間累積，這是慣導(dǎo)的通病，也是慣導(dǎo)系統(tǒng) 目前只能應(yīng)用于短程導(dǎo)航的關(guān)鍵原因，因此需要外部輔助定位的方法對其進行修正。
[0004] 現(xiàn)行的外部輔助導(dǎo)航技術(shù)中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，尤其是全球定位系統(tǒng)成為最理想的 輔助定位方法。全球定位系統(tǒng)（inerglobal position system, GPS)是美國國防部研制的 第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)，能為海、陸、空各種載體提供全天候、高精度的 三維位置、速度信息，并且還可以在載體上安裝多個天線來測量載體的姿態(tài)信息。與慣性導(dǎo) 航相比，它的優(yōu)點是技術(shù)趨于成熟，精度高且成本低，缺點是自主性差和抗干擾能力弱。這 與慣導(dǎo)系統(tǒng)在性能上正好形成優(yōu)勢互補，因而近年來，基于慣性導(dǎo)航和GPS組成的組合導(dǎo) 航系統(tǒng)成為了國內(nèi)外組合導(dǎo)航研宄的主流。
[0005] 組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以同時發(fā)揮兩個導(dǎo)航子系統(tǒng)的優(yōu)勢，在定位精度、性能、 和可靠性等方面都要優(yōu)于單獨的導(dǎo)航子系統(tǒng)。由于慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠提供比較多的導(dǎo)航參數(shù)和 全姿態(tài)信息參數(shù)，且不受外界干擾、隱蔽性和連續(xù)性好，因此一般在以慣性導(dǎo)航和GPS結(jié)合 的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣導(dǎo)系統(tǒng)多作為主要子系統(tǒng)，高精度的GPS導(dǎo)航信息則作為外部輸入， 在運動過程中不斷修正慣導(dǎo)系統(tǒng)。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合算法上，目前使用最為廣泛 的是卡爾曼濾波算法。兩個子系統(tǒng)將各自的導(dǎo)航參數(shù)信息輸入到濾波器中，系統(tǒng)選取合適 的狀態(tài)變量，建立組合系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，推導(dǎo)濾波迭代方程，通過前一時刻的估計值和 新時刻的觀測值來對狀態(tài)變量進行估計，從而得到最優(yōu)解，來校正單個子系統(tǒng)的參數(shù)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有基于慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系 統(tǒng)存在計算復(fù)雜、解算效率低的不足，提出一種基于一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS系 統(tǒng)的組合導(dǎo)航方法，其結(jié)構(gòu)簡單、計算效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0008] 一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，包含以下步驟：
[0009] 步驟1)，將六維加速度傳感器引入捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中充當(dāng)慣性敏感元件，根據(jù)六維 加速度傳感器輸出的六維加速度進行相應(yīng)的捷聯(lián)解算，獲得載體的導(dǎo)航位置、速度和姿態(tài) 參數(shù)；
[0010] 步驟2)，采用GPS系統(tǒng)對載體的運動進行跟蹤，獲取載體的位置、速度和姿態(tài)導(dǎo)航 信息；
[0011] 步驟3)，將步驟1)和步驟2)分別獲取的導(dǎo)航參數(shù)值對應(yīng)相減后得到的差值輸入 組合導(dǎo)航濾波器；
[0012] 步驟4)，組合導(dǎo)航濾波器對輸入的差值進行相應(yīng)的濾波處理，得到捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)誤差；
[0013] 步驟5)，將步驟1)得到的各導(dǎo)航參數(shù)值與步驟4)得到的最優(yōu)誤差對應(yīng)相減，得到 載體此時的最優(yōu)位置、速度和姿態(tài)，并輸出。
[0014] 作為本發(fā)明一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法進一步的優(yōu)化 方案，步驟1)中所述根據(jù)六維加速度傳感器輸出的六維加速度進行相應(yīng)的捷聯(lián)解算的詳 細步驟如下：
[0015] 步驟1. 1)，獲取六維加速度傳感器輸出的以下參數(shù)：外殼{S}相對于相對慣性系 {〇}的線加速度°as、角加速度°a s、角速度°%、°?在外殼系{S}中的投影s(°?s)以及姿 態(tài)矩陣
[0016] 步驟1. 2)，根據(jù)以下公式將步驟1. 1)中得到的參數(shù)轉(zhuǎn)換為以載體系{B}為運動主 體的參量：
[0017]
【主權(quán)項】
1. 一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，其特征在于，包含以下步驟： 步驟1)，將六維加速度傳感器引入捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中充當(dāng)慣性敏感元件，根據(jù)六維加 速度傳感器輸出的六維加速度進行相應(yīng)的捷聯(lián)解算，獲得載體的導(dǎo)航位置、速度和姿態(tài)參 數(shù)； 步驟2)，采用GPS系統(tǒng)對載體的運動進行跟蹤，獲取載體的位置、速度和姿態(tài)導(dǎo)航信 息； 步驟3)，將步驟1)和步驟2)分別獲取的導(dǎo)航參數(shù)值對應(yīng)相減后得到的差值輸入組合 導(dǎo)航濾波器； 步驟4)，組合導(dǎo)航濾波器對輸入的差值進行相應(yīng)的濾波處理，得到捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)導(dǎo)航 參數(shù)的最優(yōu)誤差； 步驟5)，將步驟1)得到的各導(dǎo)航參數(shù)值與步驟4)得到的最優(yōu)誤差對應(yīng)相減，得到載體 此時的最優(yōu)位置、速度和姿態(tài)，并輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，其特 征在于，步驟1)中所述根據(jù)六維加速度傳感器輸出的六維加速度進行相應(yīng)的捷聯(lián)解算的 詳細步驟如下： 步驟1. 1)，獲取六維加速度傳感器輸出的以下參數(shù)：外殼{S}相對于相對慣性系{0} 的線加速度°as、角加速度°as、角速度°〇^、°〇^在外殼系{S}中的投影s(°?s)以及姿態(tài)矩 陣3 ; 步驟1.2)，根據(jù)以下公式將步驟1.1)中得到的參數(shù)轉(zhuǎn)換為以載體系{B}為運動主體的 參量：
Bfc^)=b(〇〇b) =s(〇Ws) 式中，、，\分別表示導(dǎo)航系{N}和載體系{B}相對于絕對慣性系{1}的加速度，# 為絕對慣性系{1}和相對慣性系{〇}之間的方位矩陣，Brs為傳感器的安裝位置矢量，BCc^) 表示載體系{B}相對于絕對慣性系{1}的角速度在載體系{B}中的投影，B(°uB)表示載體 系{B}相對于相對慣性系{0}的角速度在載體系{B}中的投影； 步驟1. 3)，根據(jù)以下公式推導(dǎo)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣導(dǎo)基本方程，并根據(jù)步驟1. 2)中得到 的各項參數(shù)值求解載體的導(dǎo)航加速度：
式中，為導(dǎo)航系{N}相對于絕對慣性系{1}的方位矩陣，為導(dǎo)航的位置矩陣， fi?為地球的自轉(zhuǎn)矩陣，NV為導(dǎo)航速度，地球的自轉(zhuǎn)角速度，E?N為載體的位置角速 率，ELN為地球系{E}到導(dǎo)航系{N}的位置矢量； 步驟1. 4)，利用步驟1. 3)中得到的載體導(dǎo)航加速度，通過數(shù)值積分運算分別求解出載 體的導(dǎo)航速度和位置； 步驟1. 5)，根據(jù)以下導(dǎo)航的姿態(tài)方程求解出姿態(tài)矩陣的各元素值：
式中，fif為載體的姿態(tài)矩陣； 步驟1.6)，求解姿態(tài)矩陣表達式，并將姿態(tài)矩陣表達式和步驟1. 5)中的元素值相互對 應(yīng)，解算出載體的導(dǎo)航姿態(tài)角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，其特 征在于，步驟4)中所述組合導(dǎo)航濾波器對輸入的差值進行相應(yīng)的濾波處理的詳細步驟如 下： 步驟2.1)，建立捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差模型，推導(dǎo)導(dǎo)航位置、速度和姿態(tài)的誤差微分方 程，其中，位置誤差方程為：
式中，A，（Kh為載體所處地球表面的經(jīng)度、煒度、高度，￥￡，￥1<，￥11為載體沿東、北、天向 的速度，R為地球半徑； 速度誤差方程為：
式中，0為實際導(dǎo)航系{N}偏離理想導(dǎo)航系（地理坐標系{G})的誤差角矢量； 姿態(tài)誤差方程為：
式中，e為姿態(tài)誤差角矢量，"C?N)為導(dǎo)航糸{N}相對于絕對慣性系{1}的角速率在 導(dǎo)航系{N}中的投影； 步驟2. 2)，選取捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)變量X為9維、狀態(tài)噪聲 變量W為6維、量測變量Z為9維、量測噪聲變量V為9維，具體參量如下：
式中，0，y，免分別為載體的俯仰角、橫滾角和航向角，NE，Nn，N"分別為GPS測量得到 的載體的位置沿東、北、天方向的距離誤差； 步驟2. 3)，建立捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型和量測 空間模型，根據(jù)步驟2.1)中的誤差方程和步驟2.2)中的狀態(tài)變量，分別求解模型中的狀 態(tài)矩陣、系統(tǒng)噪聲矩陣、量測矩陣和量測噪聲矩陣，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方 程； 步驟2. 4)，對步驟2. 3)中的狀態(tài)方程和量測方程進行離散化處理，得到組合導(dǎo)航系統(tǒng) 的時間更新方程和量測更新方程； 步驟2. 5)，將輸入的差值代入到步驟2. 4)的更新方程中，迭代求解出組合導(dǎo)航系統(tǒng)的 最優(yōu)估計，并輸出。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，其特 征在于，步驟4)中所述組合導(dǎo)航濾波器采用卡爾曼濾波器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，其特 征在于，步驟1)中所述六維加速度傳感器采用8-UPS型并聯(lián)式六維加速度傳感器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)組合導(dǎo)航方法，屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的主要特征為：首先選取六維加速度傳感器作為慣性導(dǎo)航的慣性元件，并進行捷聯(lián)解算，使其構(gòu)成一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；其次是將該捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)作為主要子系統(tǒng)，實現(xiàn)與GPS系統(tǒng)相結(jié)合的組合導(dǎo)航方法，選取組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)量，建立組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程，采用卡爾曼濾波器完成信息融合，得到系統(tǒng)的最優(yōu)估計，以此校正慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航參數(shù)值，最終得到載體導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)解。本發(fā)明基于一體化無陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的組合導(dǎo)航方法，能提高單個導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，有效提升導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合性能。
【IPC分類】G01C21-16, G01S19-49
【公開號】CN104697520
【申請?zhí)枴緾N201510061968
【發(fā)明人】李成剛, 謝志紅, 王化明, 林家慶, 崔文
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月5日