CN103542853A - 一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法 - Google Patents

一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法 Download PDF

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Abstract

一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，由于采用GPS接收机输出位置信息，并采用PI滤波技术对位置误差、速度误差和加速度误差进行估计，省掉KALMAN滤波解算，大大简化星上计算量，同时对加速度误差进行估计，可以提高惯导递推精度，能够显著改善自主导航的精度，提高工程实用性，取得了自主导航新思路以及可以扩展到深空探测软着陆应用等有益效果。

Description

一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法
技术领域
本发明涉及基于惯导和GPS接收机的绝对导航技术，尤其涉及一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法。
背景技术
开展航天器自主导航技术研究，可以减轻地面站的工作量，缓解因地域限制造成的地面测控站布点的困难；其次由于自主导航可以及时确定卫星的位置，因此可以提高卫星观测数据的利用率，增强卫星在执行任务时的灵活性与准确性，提高卫星的生存能力，即使发生地面跟踪测量被迫中断的恶劣情况时，仍可以保持飞行任务的连续性，其实用意义尤为明显。
目前，现有的卫星自主导航技术基于惯导和GPS接收机的组合导航技术理论研究较多，该方法可以充分发挥GPS接收机和惯导的优点，但由于计算量较大，很难进入工程应用阶段。
发明内容
本发明提供的一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，可以大大减少星上计算量，并对加速度误差进行估计，提高惯导递推精度。
为了达到上述目的，本发明提供一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，该方法包含以下步骤：
步骤1、根据惯测组合输出的角速度和加速度，进行惯导解算，输出航天器在惯性坐标系下的位置和速度信息Xsins；
步骤2、GPS接收机定位后，利用GPS接收机输出的惯性坐标系下的位置和速度信息Xgps，采用PI滤波技术对步骤1中惯导解算的位置误差、速度误差及加速度误差进行估计，在步骤1的惯导解算中进行扣除，并对惯导解算结果进行修正；
步骤3、将步骤2中得到的惯导计算结果与轨道发生器产生的理论结果做差值计算，计算误差百分比，评估导航精度。
所述的步骤1包含以下步骤：
步骤1.1、求取本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数：
本体坐标系的原点在航天器质心，X轴沿航天器纵轴指向航天器飞行方向，Z轴沿航天器竖轴，Y轴与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
惯性坐标系的原点在地心，X轴指向春分点，Z轴指向北极，Y轴在赤道面内与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
根据初始的姿态四元数                                                
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE001
和陀螺角速度
Figure 737525DEST_PATH_IMAGE002
，采用陀螺积分，求解当前姿态四元数
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 563530DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE005
为计算解算周期；
步骤1.2、求取惯性坐标系的加速度：
由本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qbi=[q0 , q1 , q2 , q3 ]，可以得到本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵
Figure 321401DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE007
将加速度计输出的加速度计测量信息
Figure 549251DEST_PATH_IMAGE008
从飞行器本体坐标系变换到惯性坐标系
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE009
，即惯性坐标系的加速度
Figure 367166DEST_PATH_IMAGE010
其中，Δa为加速度计测量误差；
由初始位置
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE011
，可以得到惯性坐标系的初始地心引力
Figure 680466DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 976450DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE015
为地球平均半径，μ是地球引力常数，数值为3.986005×1014m3/s2，J2为常数，数值为0.00108263。
步骤1.3、求取惯导解算位置：
Figure 324386DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE017
，；为PI滤波估计位置误差
Figure 113798DEST_PATH_IMAGE020
，初始值为0；
步骤1.4、求取惯导解算速度：
由当前位置，计算当前地球引力项：
；
惯导系统速度求解：
Figure 213472DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE023
为PI滤波估计速度误差
Figure 150335DEST_PATH_IMAGE024
，初始值为0，
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE025
为惯导结算周期，惯性坐标系的加速度
Figure 310053DEST_PATH_IMAGE026
。
所述的步骤2包含以下步骤：
步骤2.1、位置误差估计：
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 722579DEST_PATH_IMAGE028
为惯导解算位置
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE029
，为GPS接收机输出位置信息，
Figure 433626DEST_PATH_IMAGE020
；
对三轴位置进行限幅，超过r1取r1，小于- r1取-r1，其中r1大于0，限幅到[-r1,r1]（r1可以选取为40）；
；
其中，
Figure 398488DEST_PATH_IMAGE032
为滤波系数，可注数修改。
步骤2.2、位置误差估计：
对
Figure 863402DEST_PATH_IMAGE019
三轴位置进行限幅，限幅到[-v1,v1]（v1可以选取为0.4）；
；
其中，Δνb是本体坐标系的速度误差。
步骤2.3、加速度误差估计：
对
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE035
三轴速度进行限幅，限幅到[-a1,a1]（a1可以选取为0.0004）；
Figure 401011DEST_PATH_IMAGE036
；
其中：
Figure 2013105595907100002DEST_PATH_IMAGE037
为滤波系数，可注数修改，Δai-k-1是上一时刻加速度积分误差，每次计算结尾都会把当前加速度积分误差赋给上一时刻加速度积分误差，便于下次使用。
本发明由于采用GPS接收机输出位置信息，并采用PI滤波技术对位置误差、速度误差和加速度误差进行估计，省掉KALMAN滤波解算，大大简化星上计算量，同时对加速度误差进行估计，可以提高惯导递推精度，能够显著改善自主导航的精度，提高工程实用性，取得了自主导航新思路以及可以扩展到深空探测软着陆应用等有益效果。
附图说明
图1是本发明提供的一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法的示意图。
具体实施方式
以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，该方法包含以下步骤：
步骤1、根据惯测组合（包含加速度计和陀螺）输出的角速度和加速度，进行惯导解算，输出航天器在惯性坐标系下的位置和速度信息，用Xsins表示航天器在惯性坐标系下的位置和速度信息；
步骤1.1、求取本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数：
本体坐标系的原点在航天器质心，X轴沿航天器纵轴指向航天器飞行方向，Z轴沿航天器竖轴，Y轴与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
惯性坐标系的原点在地心，X轴指向春分点，Z轴指向北极，Y轴在赤道面内与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
根据初始的姿态四元数
Figure 663496DEST_PATH_IMAGE001
和陀螺角速度
Figure 784030DEST_PATH_IMAGE002
，采用陀螺积分，求解当前姿态四元数
Figure 674625DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 347046DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 955882DEST_PATH_IMAGE005
为计算解算周期；
步骤1.2、求取惯性坐标系的加速度：
由本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qbi=[q0 , q1 , q2 , q3 ]，可以得到本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵
Figure 4741DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 890788DEST_PATH_IMAGE007
将加速度计输出的加速度计测量信息
Figure 858744DEST_PATH_IMAGE008
从飞行器本体坐标系变换到惯性坐标系
Figure 830242DEST_PATH_IMAGE009
，即惯性坐标系的加速度其中，Δa为加速度计测量误差；
由初始位置
Figure 282401DEST_PATH_IMAGE011
，可以得到惯性坐标系的初始地心引力
Figure 296624DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure 755418DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，
Figure 5134DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 865774DEST_PATH_IMAGE015
为地球平均半径，μ是地球引力常数，数值为3.986005×1014m3/s2，J2为常数，数值为0.00108263。
步骤1.3、求取惯导解算位置：
Figure 50899DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure 121623DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 50396DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 765542DEST_PATH_IMAGE019
为PI滤波估计位置误差
Figure 246202DEST_PATH_IMAGE020
，初始值为0；
步骤1.4、求取惯导解算速度：
由当前位置，计算当前地球引力项：
Figure 414009DEST_PATH_IMAGE021
；
惯导系统速度求解：
；
其中，
Figure 840759DEST_PATH_IMAGE023
为PI滤波估计速度误差
Figure 243053DEST_PATH_IMAGE024
，初始值为0，
Figure 288369DEST_PATH_IMAGE025
为惯导结算周期，惯性坐标系的加速度
Figure 558945DEST_PATH_IMAGE026
。
步骤2、GPS接收机定位后，利用GPS接收机输出的惯性坐标系下的位置和速度信息（用Xgps表示惯性坐标系下的位置和速度信息），采用PI滤波技术对步骤1中惯导解算的位置误差、速度误差及加速度误差进行估计，在步骤1的惯导解算中进行扣除，并对惯导解算结果进行修正；
步骤2.1、位置误差估计：
Figure 983104DEST_PATH_IMAGE027
；
其中，
Figure 71146DEST_PATH_IMAGE028
为惯导解算位置，
Figure 412446DEST_PATH_IMAGE030
为GPS接收机输出位置信息，
Figure 691111DEST_PATH_IMAGE020
；
对
Figure 825420DEST_PATH_IMAGE019
三轴位置进行限幅，超过r1取r1，小于- r1取-r1，其中r1大于0，限幅到[-r1,r1]（r1可以选取为40）；
Figure 579750DEST_PATH_IMAGE031
；
其中，
Figure 192128DEST_PATH_IMAGE032
为滤波系数，可注数修改。
步骤2.2、位置误差估计：
对
Figure 590879DEST_PATH_IMAGE019
三轴位置进行限幅，限幅到[-v1,v1]（v1可以选取为0.4）；
；
其中
Figure 872136DEST_PATH_IMAGE034
，Δνb是本体坐标系的速度误差。
步骤2.3、加速度误差估计：
对
Figure 412839DEST_PATH_IMAGE035
三轴速度进行限幅，限幅到[-a1,a1]（a1可以选取为0.0004）；
Figure 931676DEST_PATH_IMAGE036
；
其中：
Figure 142209DEST_PATH_IMAGE037
为滤波系数，可注数修改，Δai-k-1是上一时刻加速度积分误差，每次计算结尾都会把当前加速度积分误差赋给上一时刻加速度积分误差，便于下次使用；
步骤3、将步骤2中得到的惯导计算结果与轨道发生器产生的理论结果做差值计算，计算误差百分比，评估导航精度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
步骤1、根据惯测组合输出的角速度和加速度，进行惯导解算，输出航天器在惯性坐标系下的位置和速度信息Xsins；
步骤2、GPS接收机定位后，利用GPS接收机输出的惯性坐标系下的位置和速度信息Xgps，采用PI滤波技术对步骤1中惯导解算的位置误差、速度误差及加速度误差进行估计，在步骤1的惯导解算中进行扣除，并对惯导解算结果进行修正；
步骤3、将步骤2中得到的惯导计算结果与轨道发生器产生的理论结果做差值计算，计算误差百分比，评估导航精度。
2.如权利要求1所述的估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，其特征在于，所述的步骤1包含以下步骤：
步骤1.1、求取本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数：
本体坐标系的原点在航天器质心，X轴沿航天器纵轴指向航天器飞行方向，Z轴沿航天器竖轴，Y轴与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
惯性坐标系的原点在地心，X轴指向春分点，Z轴指向北极，Y轴在赤道面内与X轴，Z轴构成右手直角坐标系；
根据初始的姿态四元数                                                
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE001
和陀螺角速度
Figure 246258DEST_PATH_IMAGE002
，采用陀螺积分，求解当前姿态四元数：
Figure 914131DEST_PATH_IMAGE004
；
其中，
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE005
为计算解算周期；
步骤1.2、求取惯性坐标系的加速度：
由本体坐标系相对惯性坐标系的姿态四元数Qbi=[q0 , q1 , q2 , q3 ]，可以得到本体坐标系到惯性坐标系的转换矩阵
Figure 444600DEST_PATH_IMAGE006
；
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE007
将加速度计输出的加速度计测量信息
Figure 590542DEST_PATH_IMAGE008
从飞行器本体坐标系变换到惯性坐标系
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE009
，即惯性坐标系的加速度
Figure 155647DEST_PATH_IMAGE010
其中，Δa为加速度计测量误差；
由初始位置，可以得到惯性坐标系的初始地心引力
Figure 604208DEST_PATH_IMAGE012
：
；
其中，
Figure 746607DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE015
为地球平均半径，μ是地球引力常数，数值为3.986005×1014m3/s2，J2为常数，数值为0.00108263
步骤1.3、求取惯导解算位置：
Figure 696240DEST_PATH_IMAGE016
；
其中，
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 115851DEST_PATH_IMAGE018
；
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE019
为PI滤波估计位置误差，初始值为0；
步骤1.4、求取惯导解算速度：
由当前位置，计算当前地球引力项：
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE021
；
惯导系统速度求解：
Figure 614277DEST_PATH_IMAGE022
；
其中，
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE023
为PI滤波估计速度误差，初始值为0，
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE025
为惯导结算周期，惯性坐标系的加速度
Figure 625406DEST_PATH_IMAGE026
。
3.如权利要求1所述的估计加速度计漂移的绝对导航滤波方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤：
步骤2.1、位置误差估计：
；
其中，
Figure 805983DEST_PATH_IMAGE028
为惯导解算位置
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE029
，为GPS接收机输出位置信息，
Figure 73464DEST_PATH_IMAGE020
；
对
Figure 716935DEST_PATH_IMAGE019
三轴位置进行限幅，超过r1取r1，小于- r1取-r1，其中r1大于0，限幅到[-r1,r1]（r1可以选取为40）；
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE031
；
其中，
Figure 802834DEST_PATH_IMAGE032
为滤波系数，可注数修改
步骤2.2、位置误差估计：
对
Figure 531756DEST_PATH_IMAGE019
三轴位置进行限幅，限幅到[-v1,v1]（v1可以选取为0.4）；
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE033
；
其中
Figure 337865DEST_PATH_IMAGE034
，Δνb是本体坐标系的速度误差
步骤2.3、加速度误差估计：
对
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE035
三轴速度进行限幅，限幅到[-a1,a1]（a1可以选取为0.0004）；
Figure 711209DEST_PATH_IMAGE036
；
其中：
Figure 2013105595907100001DEST_PATH_IMAGE037
为滤波系数，可注数修改，Δai-k-1是上一时刻加速度积分误差，每次计算结尾都会把当前加速度积分误差赋给上一时刻加速度积分误差，便于下次使用。
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