CN105716612B - 一种捷联惯导系统模拟器的设计方法 - Google Patents
一种捷联惯导系统模拟器的设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，首先基于预先设定好的运动轨迹参数，根据运动学原理，生成载体坐标系相对导航坐标系的角速度和加速度；其次利用方向余弦矩阵进行转换得到IMU坐标系相对导航坐标系的IMU真值数据；然后在此真值数据的基础上添加所需真实运动和IMU传感器误差，得到切合仿真场景需求的IMU数据；最后利用IMU坐标系下的添加真实运动后的IMU数据进行惯导机械编排，产生仿真轨迹真值。本发明一方面能够依靠惯导机械编排算法给出更加平滑且准确的仿真轨迹真值，另一方面能够基于真实运动和IMU误差产生更符合真实环境的IMU仿真数据，进而满足高精度惯性导航或组合导航对惯导数据源仿真精度的要求。
Description
技术领域
本发明涉及SINS和GNSS/INS的仿真领域，尤其涉及一种捷联惯导系统模拟器的设计方法。
背景技术
在惯性导航系统及其组合导航的仿真研究中，惯性器件(陀螺和加速度计)的数据源仿真和运载体的轨迹仿真是项基础性工作，特别是研究高精度的SINS(StrapdownInertial Navigation System，捷联惯导系统)和GNSS/INS算法，更是需要高精度的数据模拟器作为支撑。传统的基于运动轨迹参数的惯性器件数据源仿真，拼接处易出现与实际情况不符的现象，效果不够逼真。此外，传统的基于运动轨迹参数的惯性器件数据源仿真很难实现复合运动的仿真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，设计出的SINS模拟器一方面能够依靠惯导机械编排算法给出更加平滑且准确的仿真轨迹真值，另一方面能够基于真实运动和IMU误差产生更符合真实环境的IMU仿真数据，进而满足高精度惯性导航或组合导航(如GNSS/INS)对惯导数据源仿真精度的要求。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、依据设定好的运动轨迹，根据运动学原理，生成v系相对n系的角速度和加速度av；表示v系相对于n系的地球自转角速度变化投影到v系的向量,av表示v系相对于n系的加速度变化投影到v系的向量；设定好的运动轨迹是由多个轨迹段拼接而成，每个轨迹段由轨迹矩阵设定；轨迹矩阵的第一列代表所在行设置的轨迹类型；对应了选定轨迹类型，该行的其余参数将按照该轨迹类型特定的参数设定方式设定该轨迹参数；
步骤2、将和av转化为v系相对i系的角速度和比力和基于以下公式：
式一
式二
是从v系到n系的方向余弦矩阵，是从b系到n系的方向余弦矩阵，是从v系到b系的方向余弦矩阵，是从n系到v系的方向余弦矩阵；
式三
表示e系相对于i系的旋转角速度在n系下的投影向量，ωe是地球自转角速度，其值约为15deg/h；是当地纬度；
式四
表示n系相对于e系的旋转角速度在n系的投影向量，vE、vN分别为n系下的东向和北向的速度，RM、RN分别为子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径，h为高程；
式五
式六
表示e系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示n系相对于e系的旋转角速度在v系的投影向量；
式七
gv表示重力加速度在v系的投影向量，gn表示重力加速度在n系的投影向量；
式八
式九
为科里奥利力在n系的投影，为科里奥利力在v系的投影，vn为n系下的速度向量；
式十
式十一
表示v系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示v系相对于i系的比力在v系的投影向量；
步骤3、首先将和结合得和其次将和在v系内加入真实运动(如振动)得和再结合得和最后在b系内加入IMU误差，即可构成含仿真场景误差和IMU误差的IMU输出(和)；
步骤4、结合前一历元的导航信息和步骤S3所得和进行惯导机械编排解算，推算出当前历元的导航信息(包含位置、速度、姿态等)，即可得到平滑且准确的仿真轨迹信息。
在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤1中，依据设定好的运动轨迹，根据运动学知识和角速度、加速度的梯形积分来推算v系相对n系的角速度和加速度。
在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤3中，在v系内加入仿真场景误差和在b系中加入IMU误差。
在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤4中，依据步骤3得到的和进行积分得到角度和速度增量信息，采用惯导机械编排算法来给出平滑、准确的仿真轨迹；其本质是采用成熟精确的惯导机械编排算法来保障仿真数据(IMU数据和轨迹真值)的自洽。
在上述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，所述步骤1中，设定好的运动轨迹是由下面10种运动中的一种或者几种运动拼接而成，每种运动均用一个一行七列的矩阵来表示，第一列表示运动类型，后面六列描述该种运动的运动特征；详细的描述如下：
数字1：静止或匀速直线运动第一列用1表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，后面五列均用0表示；
数字2：匀加速直线运动第一列用2表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示该种运动的加速度大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字3：指定时间内加速到指定速度，整个过程加速度呈梯形变化的运动第一列用3表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是目标速度的大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字4：指定时间内转弯指定角度，整个过程角速度呈梯形变化的运动第一列用4表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示旋转总角度，第七列表示旋转轴线；
数字5：加速度正弦交变的直线运动第一列用5表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是加速度的幅值，第四列表示的是加速度的轴线，第五列表示的是加速度的变化周期，第六列和第七列用0表示；
数字6：角速度正弦交变的运动第一列用6表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的正弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字61：角速度余弦交变的运动第一列用61表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的余弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字7：匀速圆周运动的第一列用7表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示的是角速度大小，第七列表示旋转轴线；
数字8：角速度从某个值线性变化到另一个值的运动第一列用8表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示的是角速度起点，第六列表示的是角速度终点，第七列表示旋转轴线；
数字9：加速度从某个值线性变化到另一个值的直线运动的第一列用9表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列用0表示，第四列表示该种运动的加速度轴线，第五列表示的是加速度起点，第六列表示的是加速度终点，第七列用0表示。
附图说明
图1为本发明提供的一种SINS模拟器的新型设计方法的流程示意图；
图2为SINS机械编排算法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中涉及到的常用坐标系：惯性坐标系表示为i系，地球坐标系表示为e系，“北-东-地”导航坐标系为n系，”前-右-下”载体坐标系为v系，IMU坐标系为b系。
步骤1，依据设定好的运动轨迹参数，根据运动学原理，生成v系相对n系的角速度和加速度av；
表示v系相对于n系的地球自转角速度变化投影到v系的向量,av表示v系相对于n系的加速度变化投影到v系的向量；
设定好的运动轨迹是由下面10种运动中的一种或者几种运动拼接而成，每种运动均用一个一行七列的矩阵来表示，第一列表示运动类型，后面六列描述该种运动的运动特征；详细的描述如下：
数字1：静止或匀速直线运动第一列用1表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，后面五列均用0表示；
数字2：匀加速直线运动第一列用2表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示该种运动的加速度大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字3：指定时间内加速到指定速度，整个过程加速度呈梯形变化的运动第一列用3表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是目标速度的大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字4：指定时间内转弯指定角度，整个过程角速度呈梯形变化的运动第一列用4表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示旋转总角度，第七列表示旋转轴线；
数字5：加速度正弦交变的直线运动第一列用5表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是加速度的幅值，第四列表示的是加速度的轴线，第五列表示的是加速度的变化周期，第六列和第七列用0表示；
数字6：角速度正弦交变的运动第一列用6表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的正弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字61：角速度余弦交变的运动第一列用61表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的余弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字7：匀速圆周运动的第一列用7表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示的是角速度大小，第七列表示旋转轴线；
数字8：角速度从某个值线性变化到另一个值的运动第一列用8表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示的是角速度起点，第六列表示的是角速度终点，第七列表示旋转轴线；
数字9：加速度从某个值线性变化到另一个值的直线运动的第一列用9表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列用0表示，第四列表示该种运动的加速度轴线，第五列表示的是加速度起点，第六列表示的是加速度终点，第七列用0表示。具体见下表：
借助上表得到的角速度和加速度即为v系相对n系的角速度和加速度和av。
步骤2，将和av转化为v系相对i系的角速度和比力和
是从v系到n系的方向余弦矩阵，是从b系到n系的方向余弦矩阵，是从v系到b系的方向余弦矩阵，是从n系到v系的方向余弦矩阵。
表示e系相对于i系的旋转角速度在n系下的投影向量，ωe是地球自转角速度，其值约为15deg/h；是当地纬度；
表示n系相对于e系的旋转角速度在n系的投影向量，vE、vN分别为n系下的东向和北向的速度，RM、RN分别为子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径，h为高程。
表示e系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示n系相对于e系的旋转角速度在v系的投影向量。
gv表示重力加速度在v系的投影向量，gn表示重力加速度在n系的投影向量。
为科里奥利力在n系的投影，为科里奥利力在v系的投影，vn为n系下的速度向量。
表示v系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示v系相对于i系的比力在v系的投影向量；
步骤3，首先将和结合得和其次将和在v系内加入真实运动(如振动)得和再结合得和最后在b系内加入IMU误差，即可构成含仿真场景误差和IMU误差的IMU输出(和)
；
常见的仿真场景按载体可分为车辆、舰船、飞机、导弹的场景，不同载体所对应的真实运动特性不同。添加其它载体情况下的仿真场景误差与式(12)和(13)类似。
式(12)～(15)中，表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的比力在v系的投影向量；scene_g_er和scene_a_er分别表示相应仿真场景下陀螺的仿真场景误差和加速度计的仿真场景误差；表示v系相对于i系的旋转角速度在b系的投影向量，表示v系相对于i系的比力在b系的投影向量；表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的旋转角速度在b系的投影向量，表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的比力在b系的投影向量。
IMU误差包括零偏、标度因数、交轴耦合和白噪声。零偏和标度因数均建模为一阶高斯马尔科夫过程，其微分表达式为：
式(16)～(19)中，bg和ba分别为陀螺和加速度计的零偏， 分别表示ba、bg对时间的微分；sg和sa分别为陀螺和加速度计的标度因数，表示sa对时间的微分，表示sg对时间的微分；τba、τbg、τsa及τsg分别代表惯性传感器误差ba、bg、sa、sg的相关时间；wba、wbg、wsa及wsg为驱动白噪声。
仅考虑仿真场景误差和惯性传感器零偏、标度因数、交轴耦合、噪声的情况下，陀螺和加速度计的输出误差模型为：
式(20)～(21)中，表示添加真实运动(或复合运动)误差和IMU误差后v系相对于i系的旋转角速度在b系的投影向量，表示添加真实运动(或复合运动)误差和IMU误差后v系相对于i系的比力在b系的投影向量；表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的旋转角速度在b系的投影向量，表示添加真实运动(或复合运动)误差后v系相对于i系的比力在b系的投影向量；Sg、Sa分别为陀螺标度因数误差矩阵和加速度计标度因数误差矩阵；I为三阶单位矩阵；Ng、Na分别为陀螺交轴耦合矩阵和加速度计交轴耦合矩阵；ng、na分别为陀螺噪声项和加速度计噪声项。
步骤4，结合前一历元的导航信息和和步骤S3所得和进行惯导机械编排解算，推算出当前历元的导航信息，即可得到平滑且准确的仿真轨迹信息。
将步骤3得到的和积分生成INS机械编排中需要的角度增量和速度增量信息，结合前一历元的导航信息，来进行惯导机械编排(见附图2)，推出当前历元的导航信息，如此可得到平滑、准确的仿真轨迹。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、依据设定好的运动轨迹，根据运动学原理，生成v系相对n系的角速度和加速度av；表示v系相对于n系的地球自转角速度变化投影到v系的向量,av表示v系相对于n系的加速度变化投影到v系的向量；设定好的运动轨迹是由多个轨迹段拼接而成，每个轨迹段由轨迹矩阵设定；轨迹矩阵的第一列代表所在行设置的轨迹类型；对应了选定轨迹类型，该行的其余参数将按照该轨迹类型特定的参数设定方式设定该轨迹参数；
步骤2、将和av转化为v系相对i系的角速度和比力和基于以下公式：
是从v系到n系的方向余弦矩阵，是从b系到n系的方向余弦矩阵，是从v系到b系的方向余弦矩阵，是从n系到v系的方向余弦矩阵；
表示e系相对于i系的旋转角速度在n系下的投影向量，ωe是地球自转角速度，其值为15deg/h；是当地纬度；
表示n系相对于e系的旋转角速度在n系的投影向量，vE、vN分别为n系下的东向和北向的速度，RM、RN分别为子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径，h为高程；
表示e系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示n系相对于e系的旋转角速度在v系的投影向量；
gv表示重力加速度在v系的投影向量，gn表示重力加速度在n系的投影向量；
为科里奥利力在n系的投影，为科里奥利力在v系的投影，vn为n系下的速度向量；
表示v系相对于i系的旋转角速度在v系的投影向量，表示v系相对于i系的比力在v系的投影向量；
步骤3、首先将和结合得和其次将和在v系内加入真实运动得和再结合得和最后在b系内加入IMU误差，即可构成含仿真场景误差和IMU误差的IMU输出和
步骤4、结合前一历元的导航信息和步骤S3所得和进行惯导机械编排解算，推算出当前历元的导航信息，包含位置、速度、姿态，即可得到平滑且准确的仿真轨迹信息。
2.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，步骤1中，依据设定好的运动轨迹，根据运动学知识和角速度、加速度的梯形积分来推算v系相对n系的角速度和加速度。
3.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，步骤3中，在v系内加入仿真场景误差和在b系中加入IMU误差。
4.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征在于，步骤4中，依据步骤3得到的和进行积分得到角度和速度增量信息，采用惯导机械编排算法来给出平滑、准确的仿真轨迹；其本质是采用成熟精确的惯导机械编排算法来保障仿真数据的自洽，仿真数据包括IMU数据和轨迹真值。
5.根据权利要求1所述的一种捷联惯导系统模拟器的设计方法，其特征是：所述步骤1中，设定好的运动轨迹是由下面10种运动中的一种或者几种运动拼接而成，每种运动均用一个一行七列的矩阵来表示，第一列表示运动类型，后面六列描述该种运动的运动特征；详细的描述如下：
数字1：静止或匀速直线运动第一列用1表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，后面五列均用0表示；
数字2：匀加速直线运动第一列用2表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示该种运动的加速度大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字3：指定时间内加速到指定速度，整个过程加速度呈梯形变化的运动第一列用3表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是目标速度的大小，第四列表示该种运动的加速度轴线，后面三列均用0表示；
数字4：指定时间内转弯指定角度，整个过程角速度呈梯形变化的运动第一列用4表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示旋转总角度，第七列表示旋转轴线；
数字5：加速度正弦交变的直线运动第一列用5表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是加速度的幅值，第四列表示的是加速度的轴线，第五列表示的是加速度的变化周期，第六列和第七列用0表示；
数字6：角速度正弦交变的运动第一列用6表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的正弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字61：角速度余弦交变的运动第一列用61表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示角速度的余弦变化周期，第六列表示角速度的幅值，第七列表示旋转轴线；
数字7：匀速圆周运动的第一列用7表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列用0表示，第六列表示的是角速度大小，第七列表示旋转轴线；
数字8：角速度从某个值线性变化到另一个值的运动第一列用8表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列表示的是当前线速度，第四列表示向心加速度的轴线，第五列表示的是角速度起点，第六列表示的是角速度终点，第七列表示旋转轴线；
数字9：加速度从某个值线性变化到另一个值的直线运动的第一列用9表示，第二列用该运动持续的时间长度来描述，第三列用0表示，第四列表示该种运动的加速度轴线，第五列表示的是加速度起点，第六列表示的是加速度终点，第七列用0表示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |