JP4145451B2 - Hybrid navigation and its device - Google Patents

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JP4145451B2 JP35992899A JP35992899A JP4145451B2 JP 4145451 B2 JP4145451 B2 JP 4145451B2 JP 35992899 A JP35992899 A JP 35992899A JP 35992899 A JP35992899 A JP 35992899A JP 4145451 B2 JP4145451 B2 JP 4145451B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電波航法と慣性航法とを組み合わせたハイブリッド航法装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、航空機や船舶の航法装置として、複数種の航法手段を組み合わせて、それぞれの欠点を補うことにより、位置や速度などの測定精度を高めたいわゆるハイブリッド航法装置が採用されている。また、測定された時系列データから現在の状態(位置や速度等の測定誤差)を推測するためにカルマンフィルタが用いられている。
【0003】
例えば、「村田、新宮、小野、張替;日本宇宙技術研究所におけるGPS航法飛行実験について,日本航空宇宙学会誌,第41巻,第468 号,1991年 1月」には、全世界測位システム(GPS)と慣性航法システム(INS)とのハイブリッド航法に関して報告されている。このようなGPSとINSとのハイブリッド航法では、GPSとINSの位置情報または位置と速度の情報をカルマンフィルタに入力し、状態変数であるINSの位置(2または3箇)、速度(2または3箇)、加速度(2または3箇)、方位(1箇)、姿勢(2箇)、ジャイロ(3箇)の誤差を最適推定し、INSの位置、速度、方位、姿勢を最適推定した誤差で補正して高精度の位置、速度、方位、姿勢の情報を出力するように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図3はカルマンフィルタの誤差推定の3つのタイプについて、実際の誤差と推定誤差の変移の例を示している。ここで、縦軸は誤差の2乗平均値、横軸は経過時間である。ハイブリッド航法による位置や速度の精度はカルマンフィルタの誤差の推定精度に依存している。カルマンフィルタで誤差の最適推定値を得るためには、図3の(A)に示すように、推定誤差を実際の誤差より少なく見積もるアンダーエスチメイトの状態となったり、(B)に示すように、推定誤差を実際の誤差より大きく見積もるオーバーエスチメイトの状態とならないように、すなわち(C)に示すように、推定誤差が実際の誤差に近似するようにカルマンフィルタを適切にチューニングする必要がある。
【0005】
しかし、上述のとおり、ハイブリッド航法に使われる従来のカルマンフィルタの状態変数の箇数は12以上もあり、しかも例えば速度誤差と方位および姿勢誤差との間、方位および姿勢誤差と位置誤差との間、方位と姿勢誤差との間などには相互依存の関係があるため、慣性航法装置の測定誤差の生成過程を表すシステム行列の複雑化に伴ってシステム方程式も複雑になる。
【0006】
このように、従来のハイブリッド航法装置においては、システム方程式が複雑であるため、カルマンフィルタが誤差を最適推定できるように、カルマンフィルタをチューニングすることが煩雑であった。
【0007】
また、一般に、GPS受信機等の電波航法装置においては、信号処理に伴って測定誤差は自己相関を持つ有色雑音となる。したがって、観測方程式に含まれる観測雑音は有色雑音となってしまう。
【0008】
しかし、カルマンフィルタの理論では、観測雑音が白色雑音であることと、正則(観測雑音の共分散行列の逆行列が存在する。)であることが前提になっている。そこで従来は、観測雑音が有色雑音である場合に、上記前提を満たすために、カルマンフィルタの更新周期を観測雑音の相関時定数より長く設定することによって、観測雑音が実質上白色雑音と見なせるようにしている。
【0009】
ところが、カルマンフィルタの更新周期が長くなると、位置や速度の補正がその更新周期でしかできなくなってしまう。
【0010】
このように、従来のハイブリッド航法装置においては、信号処理の結果、観測雑音が一般に有色雑音となるため、カルマンフィルタの更新周期は観測雑音の相関時定数に制限され、更新周期が長くなり、誤差推定の精度も劣化してしまう。
【0011】
この発明の目的は、システム方程式の複雑化によるカルマンフィルタのチューニングの煩雑化の問題を解消し、また電波航法装置における信号処理による雑音の有色化に伴うカルマンフィルタの更新周期の制限の問題を解消したハイブリッド航法装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明は、電波航法装置と慣性航法装置による観測値をそれぞれ入力し、カルマンフィルタにて慣性航法装置の観測値を補正するハイブリッド航法装置であり、
慣性航法装置の測定誤差の生成過程をランジュバン方程式でモデル化した、測定誤差を状態変数とするベクトルX、相関時定数により定まるシステム行列Aおよびシステム雑音uによるシステム方程式を離散時間系に変換した式Xk =Ak-1k-1 +uk-1 (kは時間ステップ)を離散系システム方程式とし、
電波航法装置の有色雑音である測定誤差をマルコフ過程でモデル化して観測雑音を白色雑音とした、前記ベクトルX、観測行列Hおよび観測雑音wによる観測方程式を離散時間系に変換した式Zk =Hkk +wk (kは時間ステップ)を離散系観測方程式とし、
前記離散系システム方程式と前記離散系観測方程式とから構成したカルマンフィルタを用いる。
【0013】
このように、システム方程式をランジュバン方程式でモデル化し単純化することによりチューニングを簡単にする。また、観測方程式に含まれる雑音を白色雑音化することにより、カルマンフィルタの更新周期を短くできるようにする。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明に実施形態であるハイブリッド航法装置の構成を示すブロック図である。ここで、INS1はジャイロと加速度計を用いて、それらが装備された航空機の位置を速度等を求める慣性航法装置、GPS受信機2はGPS衛星からの電波を受信して航空機の位置と速度を測定する装置である。3はハイブリッド航法装置であり、INS1とGPS受信機2からそれぞれ位置と速度の情報を入力し、INSの位置と速度の誤差を推定し、この推定した誤差でINSの位置と速度を補正することによって、高精度の位置と速度情報を出力する。
【0015】
ハイブリッド航法装置3におけるカルマンフィルタ4は、INS航法装置1とGPS受信機2から入力された、それぞれの位置と速度の情報からINSの位置と速度の誤差を最適推定する。
【0016】
説明を簡単にするために、2次元の場合について、従来の欠点を解消したハイブリッド航法装置について説明する。
【0017】
〔1〕 システム方程式
前述のように、従来はシステム方程式が複雑であったため、カルマンフィルタのチューニングが煩雑となっていた。この発明ではまず、システム方程式を単純化することによりチューニングを簡単にする。
【0018】
INSの位置誤差はジャイロと加速度計の誤差が要因となって発生する。そのうちの70%以上がジャイロの誤差に依存しており、加速度計の誤差の影響は少ない。このことは「早川、星野;慣性航法装置の慣性素子,日本航空宇宙学会誌,Vol.31,1983年 6月」に示されている。INSの位置誤差の分散とジャイロの誤差の関係は〔数1〕で与えられる。この関係は「Diesel J.W;GPS/INSINTEGRATION BY FUNCTIONAL PARTITIONING」に示されている。
【0019】
【数1】

Figure 0004145451
【0020】
〔数1〕において、INSの位置誤差の分散Q(t) は、シューラ周期84.4分の1/4周期以上の時間が経過すると、時間に比例する項が振動項よりも優勢になり、1シューラ周期以降は、時間に比例する項が振動項の5倍以上になって、振動項が無視できる。すなわち、1シューラ周期以降は、INSの位置誤差の分散は時間に略比例して大きくなっていく。
【0021】
このことは、INSの位置誤差がランジュバン(Langevin)方程式でモデル化できることを示している。
【0022】
INSの誤差を状態変数とするベクトルを〔数2〕で表し、ランジュバン方程式でモデル化すると、Aをシステム行列、uをシステム雑音としてシステム方程式は〔数3〕で表される。ただし、Tは転置を示す。
【0023】
【数2】
Figure 0004145451
【0024】
【数3】
Figure 0004145451
【0025】
このように、INSの位置誤差をランジュバン方程式でモデル化することにより、システム方程式は極めて単純化できた。相関時定数τ1 と北方向および東方向の加速度誤差un =ue はシステム方程式の設計要素であり、システムの設計により定まる。なお、〔数3〕でX′と示したように、微分を意味する′(ドット)付き記号を以下2文字で表す。
【0026】
〔2〕 観測方程式
観測値ベクトルを(INSの位置)−(GPSの位置)とすると、観測方程式は〔数4〕で表すことができる。
【0027】
【数4】
Figure 0004145451
【0028】
前述のように、GPS受信機の測位誤差は、受信信号に含まれるマルコフ性の電離層遅れにより、また、受信信号に含まれる擬似雑音符号を位相追尾して測定位置を更新する処理等を行うことにより、自己相関を持つ有色雑音になり、したがって、観測方程式に含まれる観測雑音は有色雑音となってしまう。
【0029】
観測雑音が有色雑音である場合、従来なら、前述したように、カルマンフィルタの更新周期を相関時定数より短くすることはできなかったが、この発明ではこの制限を除くために、有色雑音を確率過程でモデル化することにより、カルマンフィルタの理論の前提を満たす表示形式に〔数4〕を変形する。
【0030】
説明を簡単にするために、GPSの北方向および東方向の位置誤差(νn ,νe )が、分散σ3 2、相関時定数τ2 をもつマルコフ過程(1次マルコフ過程)でモデル化した場合について説明する。
【0031】
この場合、北方向および東方向の位置誤差νn ,νe の自己相関関数は
【0032】
【数5】
Figure 0004145451
【0033】
で表され、観測雑音νは、ウィナーヒンチンの自己相関関数とパワースペクトルとの関係より、〔数6〕のように、白色雑音wで駆動される方程式で表すことができる。
【0034】
【数6】
Figure 0004145451
【0035】
次に、〔数4〕を微分し、〔数3〕、〔数4〕、〔数6〕を使って整理すると、〔数7〕が得られる。
【0036】
【数7】
Figure 0004145451
【0037】
〔数7〕でH=CA−FC,Z=Y′−FYとおくと、〔数7〕は〔数8〕になる。
【0038】
【数8】
Figure 0004145451
【0039】
上記Y′はINSとGPSの速度差から観測でき、新たにZを観測値、Hを観測行列として、〔数8〕を観測方程式とすれば、〔数8〕は、観測雑音が白色雑音wであるので、カルマンフィルタの理論の前提を満たす表示形式に変形した観測方程式になる。ここで相関時定数τ2 と観測雑音wn =we は観測方程式の設計要素であり、設計により定まる。例えば、GPS受信機の測定位置の誤差を収集し、誤差の自己相関関数を求めることにより、τ2 ,wn ,we を決定する。
【0040】
〔3〕 カルマンフィルタ
〔数3〕のシステム方程式と〔数8〕の観測方程式を連続時間系から更新周期Δの離散時間系に変換すると、システム方程式は〔数9〕となり、観測方程式は〔数10〕となる。ここで、kは0以上の整数であり、k番目の時刻はΔkで表される。この連続時間系から離散時間系の変換については「有本著;カルマン・フィルタ,産業図書,昭和52年」に示されている。
【0041】
【数9】
Figure 0004145451
【0042】
【数10】
Figure 0004145451
【0043】
システム方程式と観測方程式からカルマンフィルタの式のパラメータを決定する方法は周知技術であるので、ここではシステム方程式〔数9〕と観測方程式〔数10〕から導いたカルマンフィルタの式のみを〔数11〕〜〔数15〕に示す。
【0044】
伝播式
【0045】
【数11】
Figure 0004145451
【0046】
このように、推定値を意味する^ (ハット)付き記号を以下2文字で表す。
【0047】
【数12】
Figure 0004145451
【0048】
更新式
【0049】
【数13】
Figure 0004145451
【0050】
【数14】
Figure 0004145451
【0051】
【数15】
Figure 0004145451
【0052】
以上に述べたように、このカルマンフィルタは、状態変数をランジュバン方程式でモデル化することにより、単純化したシステム方程式と、有色の観測雑音を1次マルコフ過程でモデル化することにより、白色の観測雑音をもつ表示形式に変形した観測方程式とを基にして構成されている。
【0053】
なお、観測雑音が白色雑音と有色雑音を含む場合は、有色雑音をシステム方程式に組み込むことにより、前述のカルマンフィルタと同様のカルマンフィルタが構成できる。
【0054】
次に、図1に示したハイブリッド航法装置3の処理手順の一例を、図2を参照して説明する。
先ず、上記システム方程式のAk=0 ,Uk=0 、観測方程式のHk=0 ,Wk=0 を設定する。Ak=0 は〔数9〕で示したシステム行列であり、相関時定数τ1 で定まり、Uk=0 は同じく〔数9〕で示した加速度誤差uの共分散行列にΔを乗じたものであり、これらの値は設計要素である。また、Hk=0 は〔数10〕に示した観測行列であり、相関時定数τ2 で定まり、Wk=0 は〔数6〕で示した白色雑音wの共分散行列に1/Δを乗じたものであり、これらの値も設計要素である。
【0055】
次に、推定値の初期値X^ k=0 と共分散の初期値Pk=0 を設定する。
【0056】
その後、更新タイミングとなれば、GPS受信機2より北方向の位置XN ,東方向の位置XE ,北方向の速度VN ,東方向の速度VE をそれぞれ読み込む。また、INS航法装置1より北方向の位置XCN,東方向の位置XCE,北方向の速度VCN,東方向の速度VCEをそれぞれ読み込む。
【0057】
続いて、
【0058】
【数16】
Figure 0004145451
【0059】
をZk として求める。また、事前推定値X^ k/k-1 を〔数11〕から求める。ここで〔数11〕のAk は〔数9〕に示したように、kに係わらず一定であり、上記設定値Ak=0 を用いる。
【0060】
続いて、事前共分散Pk/k-1 を〔数12〕から求める。ここでUk は〔数9〕に示したように北方向および東方向の加速度誤差un ,ue で決定されるので、kに係わらず一定であり、上記設定値Uk=0 を用いる。
【0061】
続いて、フィルタゲインGk を〔数13〕から求める。ここでHk は〔数10〕に示したようにkに係わらず一定であり、上記設定値Hk=0 を用いる。また、Wk も〔数10〕に示したように、kに係わらず一定であり、上記設定値Wk=0 を用いる。
【0062】
さらに、続いて、事後共分散Pk/k を〔数15〕から求める。
そして、事後推定値Xk/k を〔数14〕から求め、これを出力する。
【0063】
以上の処理を更新タイミング毎に繰り返すことにより、推定誤差が急速に減少し、図1に示したハイブリッド航法装置3から、誤差分の補正された位置および速度のデータが出力される。
【0064】
なお、〔数11〕,〔数12〕に示した伝播式の更新周期をΔ/N(N:2以上の整数)として、カルマンフィルタの更新周期(誤差推定周期)より短時間周期で、INSの位置と速度の推定誤差を、その推移を補外することにより求め、INSの位置と速度を補正してもよい。
【0065】
また、以上に述べた例は、2次元の位置と速度を求めるものであったが、同様にして3次元の位置と速度を求めることもできる。
【0066】
【発明の効果】
この発明によれば、高精度の位置と速度情報が得られるほか、次の利点がある。
(1) システム方程式をランジュバン方程式でモデル化することにより、システム方程式形式が単純となるため、設計要素が少なくなって、カルマンフィルタのチューニングが容易になる。また、システム方程式の形式が単純となるため、カルマンフィルタのチューニング時のシミュレーションと実際の環境とが少し異なっていても、実際の運用時に大きな推定誤差が生じることがなく、いわゆるロバスト性も高まる。
【0067】
(2) 有色の観測雑音を1次マルコフ過程でモデル化し、観測方程式を白色の観測雑音をもつ表示形式に変形することにより、カルマンフィルタの更新周期は、観測雑音の相関時定数に制限されることなく、任意に設定できる。そのため、カルマンフィルタの更新周期を短くでき、誤差推定の精度が劣化することもない。
【0068】
(3) 設計要素はプラットフォーム方式のINSと、ストラップダウン方式のINSとで異なるが、カルマンフィルタのアルゴリズムは同一となるので、カルマンフィルタの演算処理部分を変えることなく、いずれのタイプの慣性航法装置を用いたハイブリッド航法装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施形態に係るハイブリッド航法装置の構成を示す図
【図2】同ハイブリッド航法装置における処理手順を示すフローチャート
【図3】カルマンフィルタのチューニング結果の例を示す図
【符号の説明】
1−INS航法装置
2−GPS受信機
3−ハイブリッド航法装置
4−カルマンフィルタ
5−加算器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hybrid navigation apparatus that combines radio navigation and inertial navigation.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a navigation device for an aircraft or a ship, a so-called hybrid navigation device has been adopted in which a plurality of types of navigation means are combined to compensate for their respective drawbacks, thereby increasing the measurement accuracy of position, speed, and the like. Further, a Kalman filter is used to estimate the current state (measurement error such as position and velocity) from the measured time series data.
[0003]
For example, “Murata, Shingu, Ono, Zhang Rei; GPS navigation flight experiments at the Japan Space Technology Research Institute, Journal of the Japan Aerospace Society, Vol. 41, No. 468, January 1991” (GPS) and inertial navigation system (INS) hybrid navigation has been reported. In such hybrid navigation of GPS and INS, GPS and INS position information or position and speed information is input to the Kalman filter, and the state variable INS position (2 or 3) and speed (2 or 3) are input. ), Acceleration (2 or 3), azimuth (1), posture (2), gyro (3) errors are optimally estimated, and INS position, velocity, azimuth, and posture are optimally estimated and corrected. Thus, it is configured to output highly accurate position, speed, azimuth, and posture information.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 3 shows an example of the transition between the actual error and the estimation error for three types of error estimation of the Kalman filter. Here, the vertical axis represents the mean square value of errors, and the horizontal axis represents elapsed time. The accuracy of position and velocity by hybrid navigation depends on the accuracy of error estimation of Kalman filter. In order to obtain the optimum estimated value of the error with the Kalman filter, as shown in FIG. 3A, the estimated error is underestimated to be less than the actual error, or as shown in FIG. Therefore, it is necessary to appropriately tune the Kalman filter so that the estimated error is approximated to the actual error so as not to be in an overestimate state in which the estimated error is estimated to be larger than the actual error. .
[0005]
However, as described above, the number of state variables of the conventional Kalman filter used for hybrid navigation is more than 12, and for example, between the speed error and the azimuth and attitude error, between the azimuth and attitude error and the position error, Since there is an interdependence relationship between the azimuth and the attitude error, the system equation becomes complicated as the system matrix representing the process of generating the measurement error of the inertial navigation system becomes complicated.
[0006]
As described above, in the conventional hybrid navigation apparatus, since the system equation is complicated, it is complicated to tune the Kalman filter so that the Kalman filter can optimally estimate the error.
[0007]
In general, in a radio navigation apparatus such as a GPS receiver, a measurement error becomes colored noise having autocorrelation accompanying signal processing. Therefore, the observation noise included in the observation equation becomes colored noise.
[0008]
However, the theory of Kalman filter assumes that the observation noise is white noise and that it is regular (there is an inverse matrix of the covariance matrix of the observation noise). Therefore, in the past, when the observation noise is colored noise, in order to satisfy the above assumption, the observation noise can be regarded as substantially white noise by setting the update period of the Kalman filter longer than the correlation time constant of the observation noise. ing.
[0009]
However, if the update cycle of the Kalman filter becomes long, the position and speed can be corrected only in the update cycle.
[0010]
In this way, in conventional hybrid navigation systems, as a result of signal processing, observation noise generally becomes colored noise, so the update period of the Kalman filter is limited to the correlation time constant of observation noise, the update period becomes longer, and error estimation The accuracy of the will also deteriorate.
[0011]
An object of the present invention is to solve the problem of complicated Kalman filter tuning due to complicated system equations, and the problem of limiting the Kalman filter update period limitation due to noise coloring due to signal processing in a radio navigation device It is to provide a navigation device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
This invention is a hybrid navigation device that inputs observation values from a radio navigation device and an inertial navigation device, and corrects the observation values of the inertial navigation device by a Kalman filter.
Modeling the measurement error generation process of the inertial navigation system using the Langevin equation, a vector X with the measurement error as a state variable, a system matrix A determined by the correlation time constant, and a system equation with system noise u converted to a discrete time system X k = A k-1 X k-1 + u k-1 (k is a time step) is a discrete system equation,
Equation Z k = The measurement error, which is the colored noise of the radio navigation device, is modeled by a Markov process and the observation noise is white noise, and the observation equation by the vector X, the observation matrix H and the observation noise w is converted into a discrete time system. Let H k X k + w k (k is the time step) be a discrete system observation equation,
A Kalman filter composed of the discrete system equation and the discrete system observation equation is used.
[0013]
In this way, tuning is simplified by modeling and simplifying the system equation with the Langevin equation. In addition, the update period of the Kalman filter can be shortened by converting the noise included in the observation equation into white noise.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hybrid navigation apparatus according to an embodiment of the present invention. Here, INS1 is an inertial navigation device that uses a gyroscope and an accelerometer to determine the speed of the aircraft equipped with them, and the GPS receiver 2 receives radio waves from GPS satellites to determine the position and speed of the aircraft. It is a device to measure. Reference numeral 3 denotes a hybrid navigation device for inputting position and speed information from the INS 1 and the GPS receiver 2, estimating an error of the INS position and speed, and correcting the position and speed of the INS with the estimated error. To output highly accurate position and velocity information.
[0015]
The Kalman filter 4 in the hybrid navigation apparatus 3 optimally estimates the error of the INS position and speed from the information on the respective positions and speeds input from the INS navigation apparatus 1 and the GPS receiver 2.
[0016]
In order to simplify the explanation, a description will be given of a hybrid navigation apparatus that eliminates the conventional drawbacks in the two-dimensional case.
[0017]
[1] System Equation As described above, since the system equation has been complicated conventionally, tuning of the Kalman filter has been complicated. The invention first simplifies tuning by simplifying the system equations.
[0018]
The INS position error is caused by the error of the gyroscope and the accelerometer. More than 70% of them depend on the gyro error, and the effect of the accelerometer error is small. This is shown in “Hayakawa, Hoshino; Inertial element of inertial navigation system, Journal of Japan Aerospace Society, Vol.31, June 1983”. The relationship between the INS position error variance and the gyro error is given by [Equation 1]. This relationship is shown in “Diesel JW; GPS / INSINTEGRATION BY FUNCTIONAL PARTITIONING”.
[0019]
[Expression 1]
Figure 0004145451
[0020]
In [Equation 1], the dispersion Q (t) of the INS position error is such that a term proportional to the time becomes dominant over the vibration term when a time equal to or longer than a quarter of the Schura cycle is 84.4. After one Shura cycle, the term proportional to time is more than five times the vibration term, and the vibration term can be ignored. In other words, after one Shura cycle, the variance of the INS position error increases substantially in proportion to time.
[0021]
This indicates that the INS position error can be modeled by the Langevin equation.
[0022]
When a vector having an INS error as a state variable is expressed by [Equation 2] and modeled by the Langevin equation, A is a system matrix, u is a system noise, and the system equation is expressed by [Equation 3]. However, T shows transposition.
[0023]
[Expression 2]
Figure 0004145451
[0024]
[Equation 3]
Figure 0004145451
[0025]
Thus, by modeling the INS position error using the Langevin equation, the system equation could be greatly simplified. The correlation time constant τ 1 and the north and east acceleration errors u n = u e are design elements of the system equation and are determined by the system design. In addition, as indicated by X ′ in [Equation 3], a symbol with a “(dot)” indicating differentiation is represented by two characters below.
[0026]
[2] Observation Equation When the observation vector is (INS position) − (GPS position), the observation equation can be expressed by [Equation 4].
[0027]
[Expression 4]
Figure 0004145451
[0028]
As described above, the positioning error of the GPS receiver is caused by the Markovian ionospheric delay included in the received signal, or the process of updating the measurement position by tracking the phase of the pseudo-noise code included in the received signal. Therefore, it becomes colored noise having autocorrelation, and thus the observation noise included in the observation equation becomes colored noise.
[0029]
In the case where the observation noise is colored noise, the Kalman filter update period could not be made shorter than the correlation time constant as described above. (4) is transformed into a display format that satisfies the premise of the Kalman filter theory.
[0030]
To simplify the explanation, GPS position errors (ν n , ν e ) in the north and east directions are modeled by a Markov process (first order Markov process) with variance σ 3 2 and correlation time constant τ 2 . The case will be described.
[0031]
In this case, the autocorrelation function of the position errors ν n and ν e in the north and east directions is
[Equation 5]
Figure 0004145451
[0033]
The observation noise ν can be expressed by an equation driven by the white noise w as shown in [Equation 6] from the relationship between the Wiener Hinchin autocorrelation function and the power spectrum.
[0034]
[Formula 6]
Figure 0004145451
[0035]
Next, [Equation 4] is differentiated and rearranged using [Equation 3], [Equation 4], and [Equation 6] to obtain [Equation 7].
[0036]
[Expression 7]
Figure 0004145451
[0037]
If [Expression 7] and H = CA-FC and Z = Y'-FY, then [Expression 7] becomes [Expression 8].
[0038]
[Equation 8]
Figure 0004145451
[0039]
Y ′ can be observed from the difference in velocity between INS and GPS. If Z is an observation value, H is an observation matrix, and [Equation 8] is an observation equation, then [Equation 8] Therefore, the observation equation is transformed into a display format that satisfies the premise of the Kalman filter theory. Here the correlation time constant tau 2 and the observation noise w n = w e is a design element of the observation equation determined by the design. For example, to collect the error of measurement positions of the GPS receiver, by obtaining the autocorrelation function of the error, to determine τ 2, w n, w e .
[0040]
[3] When the system equation of the Kalman filter [Equation 3] and the observation equation of [Equation 8] are converted from the continuous time system to the discrete time system of the update period Δ, the system equation becomes [Equation 9], and the observation equation becomes [Equation 10]. ]. Here, k is an integer greater than or equal to 0, and the k-th time is represented by Δk. This conversion from continuous-time system to discrete-time system is described in “Arimoto, Kalman Filter, Sangyo Tosho, 1977”.
[0041]
[Equation 9]
Figure 0004145451
[0042]
[Expression 10]
Figure 0004145451
[0043]
Since the method for determining the parameters of the Kalman filter equation from the system equation and the observation equation is a well-known technique, only the Kalman filter equation derived from the system equation [Equation 9] and the observation equation [Equation 10] is used here. It is shown in [Equation 15].
[0044]
Propagation type 【0045】
## EQU11 ##
Figure 0004145451
[0046]
In this way, the symbol with ^ (hat) that means the estimated value is represented by the following two characters.
[0047]
[Expression 12]
Figure 0004145451
[0048]
Renewal formula [0049]
[Formula 13]
Figure 0004145451
[0050]
[Expression 14]
Figure 0004145451
[0051]
[Expression 15]
Figure 0004145451
[0052]
As described above, this Kalman filter is designed to model the state variables with the Langevin equation, to model the simplified system equations and the colored observation noise with a first-order Markov process, thereby to produce white observation noise. It is constructed based on the observation equation transformed into a display format with.
[0053]
When the observation noise includes white noise and colored noise, a Kalman filter similar to the aforementioned Kalman filter can be configured by incorporating the colored noise into the system equation.
[0054]
Next, an example of the processing procedure of the hybrid navigation apparatus 3 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
First, A k = 0 and U k = 0 in the system equation and H k = 0 and W k = 0 in the observation equation are set. A k = 0 is a system matrix expressed by [Equation 9], which is determined by the correlation time constant τ 1 , and U k = 0 is obtained by multiplying the covariance matrix of the acceleration error u also expressed by [Equation 9] by Δ. These values are design elements. H k = 0 is the observation matrix shown in [Equation 10], which is determined by the correlation time constant τ 2 , and W k = 0 is 1 / Δ in the covariance matrix of the white noise w shown in [Equation 6]. These values are also design elements.
[0055]
Next, an initial value P k = 0 of the covariance between the initial value X ^ k = 0 estimates.
[0056]
Thereafter, at the update timing, the position X N in the north direction, the position X E in the east direction, the speed V N in the north direction, and the speed V E in the east direction are read from the GPS receiver 2. Further, the north position X CN , the east position X CE , the north direction velocity V CN , and the east direction velocity V CE are read from the INS navigation device 1.
[0057]
continue,
[0058]
[Expression 16]
Figure 0004145451
[0059]
Is determined as Z k . Also, a prior estimated value X ^ k / k-1 is obtained from [Equation 11]. Here, A k in [ Equation 11] is constant regardless of k as shown in [Equation 9], and the set value A k = 0 is used.
[0060]
Subsequently, the prior covariance P k / k−1 is obtained from [Equation 12]. Here, U k is determined by the acceleration errors u n and u e in the north direction and the east direction as shown in [Equation 9], so it is constant regardless of k, and the set value U k = 0 is used. .
[0061]
Subsequently, the filter gain G k is obtained from [Equation 13]. Here, H k is constant regardless of k as shown in [Equation 10], and the set value H k = 0 is used. Also, as shown in [Equation 10], W k is constant regardless of k, and the set value W k = 0 is used.
[0062]
Subsequently, the posterior covariance P k / k is obtained from [Equation 15].
Then, a posteriori estimated value X k / k is obtained from [Equation 14] and output.
[0063]
By repeating the above processing at each update timing, the estimation error is rapidly reduced, and corrected position and speed data for the error is output from the hybrid navigation apparatus 3 shown in FIG.
[0064]
Note that the update cycle of the propagation equation shown in [Equation 11] and [Equation 12] is Δ / N (N: an integer of 2 or more), and the INS is updated in a shorter cycle than the update cycle (error estimation cycle) of the Kalman filter. The estimation error of the position and speed may be obtained by extrapolating the transition, and the position and speed of the INS may be corrected.
[0065]
In the example described above, the two-dimensional position and velocity are obtained. However, the three-dimensional position and velocity can be obtained in the same manner.
[0066]
【The invention's effect】
According to the present invention, highly accurate position and velocity information can be obtained, and the following advantages can be obtained.
(1) By modeling the system equation with the Langevin equation, the system equation form becomes simple, so design elements are reduced and the Kalman filter can be tuned easily. Also, since the system equation format is simple, even if the simulation at the time of tuning the Kalman filter is slightly different from the actual environment, a large estimation error does not occur during actual operation, and so-called robustness is enhanced.
[0067]
(2) By modeling colored observation noise by a first-order Markov process and transforming the observation equation into a display format with white observation noise, the update period of the Kalman filter is limited to the correlation time constant of the observation noise. It can be set arbitrarily. Therefore, the update period of the Kalman filter can be shortened, and the accuracy of error estimation does not deteriorate.
[0068]
(3) Although the design elements differ between the platform type INS and the strap-down type INS, the algorithm of the Kalman filter is the same, so any type of inertial navigation system can be used without changing the arithmetic processing part of the Kalman filter. It can also be applied to conventional hybrid navigation systems.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a hybrid navigation device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a processing procedure in the hybrid navigation device. FIG. 3 is a diagram showing an example of tuning results of a Kalman filter. ]
1-INS navigation device 2-GPS receiver 3-hybrid navigation device 4-Kalman filter 5-adder

Claims (2)

電波航法装置と慣性航法装置の測定値から、カルマンフィルタにて慣性航法装置の測定誤差を推定し、補正するハイブリッド航法において、慣性航法装置の測定誤差の生成過程をランジュバン方程式でモデル化した、測定誤差を状態変数とするベクトルX、相関時定数により定まるシステム行列Aおよびシステム雑音uによるシステム方程式を離散時間系に変換した式Xk =Ak-1k-1 +uk-1 (kは時間ステップ)を離散系システム方程式とし、
電波航法装置の有色雑音である測定誤差をマルコフ過程でモデル化して観測雑音を白色雑音とした、前記ベクトルX、観測行列Hおよび観測雑音wによる観測方程式を離散時間系に変換した式Zk =Hkk +wk (kは時間ステップ)を離散系観測方程式とし、
前記離散系システム方程式と前記離散系観測方程式とから構成したカルマンフィルタを用いたハイブリッド航法。
In hybrid navigation that estimates and corrects the measurement error of the inertial navigation device from the measured values of the radio navigation device and the inertial navigation device using the Kalman filter, the measurement error is modeled by the Langevin equation. Is a state vector X, a system matrix A determined by a correlation time constant, and an equation X k = A k-1 X k-1 + u k-1 (k is time) Step) is a discrete system equation,
Equation Z k = The measurement error, which is the colored noise of the radio navigation device, is modeled by a Markov process and the observation noise is white noise, and the observation equation by the vector X, the observation matrix H and the observation noise w is converted into a discrete time system. Let H k X k + w k (k is the time step) be a discrete system observation equation,
Hybrid navigation using a Kalman filter composed of the discrete system equation and the discrete observation equation.
電波航法装置と慣性航法装置の測定値をそれぞれ入力し、カルマンフィルタにて慣性航法装置の測定誤差を推定し、補正するハイブリッド航法装置において、
慣性航法装置の測定誤差の生成過程をランジュバン方程式でモデル化した、測定誤差を状態変数とするベクトルX、相関時定数により定まるシステム行列Aおよびシステム雑音uによるシステム方程式を離散時間系に変換した式Xk =Ak-1k-1 +uk-1 (kは時間ステップ)を離散系システム方程式とし、
電波航法装置の有色雑音である測定誤差をマルコフ過程でモデル化して観測雑音を白色雑音とした、前記ベクトルX、観測行列Hおよび観測雑音wによる観測方程式を離散時間系に変換した式Zk =Hkk +wk (kは時間ステップ)を離散系観測方程式とし、
前記離散系システム方程式と前記離散系観測方程式とから前記カルマンフィルタを構成したハイブリッド航法装置。
In the hybrid navigation device that inputs the measured values of the radio navigation device and the inertial navigation device, estimates the measurement error of the inertial navigation device with the Kalman filter, and corrects it,
Modeling the measurement error generation process of the inertial navigation system using the Langevin equation, a vector X with the measurement error as a state variable, a system matrix A determined by the correlation time constant, and a system equation with system noise u converted to a discrete time system X k = A k-1 X k-1 + u k-1 (k is a time step) is a discrete system equation,
Equation Z k = The measurement error, which is the colored noise of the radio navigation device, is modeled by a Markov process and the observation noise is white noise, and the observation equation by the vector X, the observation matrix H and the observation noise w is converted into a discrete time system. Let H k X k + w k (k is the time step) be a discrete system observation equation,
The hybrid navigation apparatus which comprised the said Kalman filter from the said discrete system equation and the said discrete system observation equation.
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