CN105841697B - 一种多源惯性导航信息合理性判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多源惯性导航信息合理性判别方法，属于组合导航技术领域，具体涉及一种应用于惯性‑卫星组合导航技术领域，该方法能够在多套惯性导航信息解算单元配置情况下，对惯性导航信息的合理性进行判别和信息进行决策。本发明的方法通过对单拍数据进行有效性判别，以剔除出现故障的惯性解算单元发送的惯性导航信息，提高惯性导航信息的正确性；本发明的方法能够适应通信故障造成的惯性导航信息部分缺失现象，用通信正常的惯性导航信息进行组合导航计算，提高所使用的惯性导航信息的可靠性。

Description

一种多源惯性导航信息合理性判别方法

技术领域

本发明涉及一种多源惯性导航信息合理性判别方法，属于组合导航技术领域，具体涉及一种应用于惯性-卫星组合导航技术领域，该方法能够在多套惯性导航信息解算单元配置情况下，对惯性导航信息的合理性进行判别和信息进行决策。

背景技术

惯性导航信息是指利用惯性测量装置敏感到的视加速度和角速度信息，在惯性解算单元中进行导航计算得到的导航信息，包括:惯性信息解算状态标志、惯性导航时间、惯性系位置、速度、用于载体系向惯性系坐标转换矩阵计算的四元数等。进行组合导航计算时，惯性导航信息用于组合导航的输入。

在传统的组合制导技术应用领域，采用单一的惯性信息解算单元配置，即使用唯一的惯性导航信息用于组合导航的输入。新型运载火箭的发展要求制导系统在执行不同的任务和恶劣环境中具有极强的适应性和较高的容错能力，提高系统可靠性的有效设计措施是对惯性信息解算单元进行冗余配置，即增加惯性信息解算单元的数量，每个解算单元产生一组惯性导航信息。当某一个解算单元的导航信息出现错误时，需要进行甄别，以避免使用错误的惯性导航信息，造成导航错误。因此，需要进行多源惯性导航信息合理性判别，完成信息应用决策，以获得准确、可靠的惯性信息，进而完成组合制导计算，实现高精度的入轨目标。

组合导航技术应用时，组合导航软件是实现惯性信息处理和组合导航相关计算的软件；多个惯性解算单元具有时间同步机制，以时间周期T1向组合导航软件输送惯性信息；组合导航软件中以时间周期T2进行惯性信息处理，T2≥T1。组合导航软件在每个T1周期获取惯性导航信息时根据接收结果设置惯性信息通讯状态是否正常。在惯性导航信息应用时，需要计算组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息，该时刻处于一个T1周期起始时刻t₁和结束时刻t₂之间。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种多源惯性导航信息合理性判别方法。

本发明的技术解决方案是：

一种多源惯性导航信息合理性判别方法，该方法的步骤为：

(1)对由多个惯性解算单元输出的第一拍惯性导航信息进行第一拍数据有效性判别，该有效性判别包括惯性导航信息的整数型一致性比较和惯性导航信息的浮点数一致性比较；

(2)步骤(1)中任意两个第一拍惯性导航信息整数型一致且浮点数一致，则认为此两个第一拍惯性导航信息一致，选取其中任意一个第一拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息；

(3)对由多个惯性解算单元输出的第二拍惯性导航信息进行第二拍数据有效性判别，该有效性判别包括惯性导航信息的整数型一致性比较和惯性导航信息的浮点数一致性比较；

(4)步骤(3)中任意两个第二拍惯性导航信息整数型一致且浮点数一致，则认为此两个第二拍惯性导航信息一致，选取其中任意一个第二拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息；

(5)判断步骤(2)得到的第一拍惯性导航信息和步骤(4)得到的第二排惯性导航信息是否来自于同一个惯性解算单元，如果是来自于同一个惯性解算单元则进行步骤(6)，如果是来自于不同的惯性解算单元则认为惯性导航信息无效，结束本周期工作，等待进入下一个周期的工作；

(6)首先由组合导航软件记录该起始时刻与第二拍惯性导航信息的时刻的时间间隔t_gap，然后计算得到组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息，即计算组合导航周期起始时刻惯性导航信息的惯性系位置、惯性系速度和载体系向惯性系坐标转换矩阵。

组合导航软件录取时刻t₁的惯性导航信息称为第一拍惯性导航信息，组合导航软件录取时刻t₂的惯性导航信息称为第二拍惯性导航信息；第一拍惯性导航信息和第二拍惯性导航信息用于合理性判别和选择决策。

步骤(1)和步骤(3)中所述的惯性导航信息的整数型一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的整数型一致，是指惯性导航信息传递的通讯正确，且惯性导航信息中的整数型信息相等。

步骤(1)和步骤(3)中所述的惯性导航信息的浮点数一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的浮点数一致，是指惯性导航信息的速度和位置信息满足如下公式：

且

式中，(x_m,y_m,z_m)表示任意两个惯性导航信息中的一个惯性导航信息中的惯性系位置，(V_{x_m},V_{y_m},V_{z_m})表示任意两个惯性导航信息中的一个惯性导航信息中的惯性系速度，(x_n,y_n,z_n)表示任意两个惯性导航信息中的另一个惯性导航信息中的惯性系位置，(V_{x_n},V_{y_n},V_{z_n})表示任意两个惯性导航信息中的另一个惯性导航信息中的惯性系速度；ε_insp为惯性系位置一致性门限，ε_insv为惯性系速度一致性门限。

步骤(2)中选取第一拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息时，以得到的第一拍惯性导航信息一致性最多的作为组合导航的输入。

作为一致性最多的惯性导航信息有两个以上时，按照惯性解算单元的逻辑编号从前往后选取。

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的惯性系位置的计算方法为：

其中，(x_a,y_a,z_a)为第一拍惯性导航信息的时刻t₁的惯性系位置，(x_b,y_b,z_b)为第二拍惯性导航信息的时刻t₂的惯性系位置；K_r为时间比例系数，K_r＝(T₁-t_gap)/T₁，T₁为多个惯性解算单元向组合导航软件输送惯性信息的周期。

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的惯性系速度的计算方法为：

其中，(v_{x_a},v_{y_a},v_{z_a})为第一拍惯性导航信息的时刻t₁的惯性系速度，(v_{x_b},v_{y_b},v_{z_b})为第二拍惯性导航信息的时刻t₂的惯性系速度，(x,y,z)为组合导航周期起始时刻的惯性导航信息惯性系位置，(v_x,v_y,v_z)为组合导航周期起始时刻的惯性导航信息惯性系速度，K_r为时间比例系数，K_r＝(T₁-t_gap)/T₁，T₁为多个惯性解算单元向组合导航软件输送惯性信息的周期。

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的载体系到惯性系的姿态转换矩阵的计算方法为：

设第一拍惯性导航信息的时刻t₁的姿态四元数为：第一拍惯性导航信息的时刻t₂的姿态四元数为：则从时刻t₁到t₂间的转动四元数为：

式中，“о”表示四元数相乘；

从时刻t₁到时刻t₂间转动的角度(Δθ_x Δθ_y Δθ_z)为：

组合导航周期起始时刻处的姿态四元数为：

其中，(Δθ_{x_t}Δθ_{y_t}Δθ_{z_t})为从时刻t₁到组合导航周期起始时刻转动的角度，Δθ_{x_t}＝K_r·Δθ_x，Δθ_{y_t}＝K_r·Δθ_y，Δθ_{z_t}＝K_r·Δθ_z，K_r为时间比例系数，

组合导航周期起始时刻的载体系到惯性系的姿态转换矩阵为：

经过计算后得到组合导航周期起始时刻的惯性系位置和速度、载体系向惯性系坐标转换矩阵，即得到组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息用于后续组合导航计算。

有益效果

(1)本发明的方法通过对单拍数据进行有效性判别，以剔除出现故障的惯性解算单元发送的惯性导航信息，提高惯性导航信息的正确性；

(2)本发明的方法能够适应通信故障造成的惯性导航信息部分缺失现象，用通信正常的惯性导航信息进行组合导航计算，提高所使用的惯性导航信息的可靠性；

(3)本发明的方法通过对经过有效性判别的两拍惯性导航信息的处理，精确求得组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息，提升组合导航输入信息的准确性，避免由于组合导航周期起始时刻在T1周期时间段内浮动带来的组合导航输入附加偏差问题。

(4)本发明的方法对冗余配置的惯性结算单元的数量没有限制，通用性强；

附图说明

图1为惯性解算单元与组合导航单元的接口关系示意图，多个惯性结算单元都连接至组合导航单元；

图2为惯性导航信息读取过程示意图，多个惯性解算单元具有时间同步机制，以时间周期T1向组合导航单元输送惯性信息；组合导航单元以时间周期T2进行惯性导航信息处理，T2≥T1，组合导航周期起始时刻处于一个T1周期起始时刻t₁和结束时刻t₂之间；

图3为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

针对“多惯性信息解算单元+单惯性信息融合单元”的硬件架构配置，本发明提出一种多源惯性导航信息合理性判别方法，完成多源的、周期性的惯性导航信息的合理性判别与决策使用方法。

本方法对连续两拍的惯性导航信息进行合理性判别和信息决策，以提高组合导航系统的可靠性。

根据两拍录取到的惯性导航信息，首先逐拍进行数据有效性判别，其次进行两拍惯性导航参数冗余决策，然后根据冗余决策结果，计算融合周期起始时刻的惯性导航信息，完成惯性导航信息的融合计算。

传递的惯性信息数据包括：惯性信息解算状态标志、惯性导航时间、惯性系位置、速度、用于载体系向惯性系坐标转换矩阵计算的四元数等。

一种多源惯性导航信息合理性判别方法，组合导航软件录取时刻t₁的惯性导航信息称为第一拍惯性导航信息，组合导航软件录取时刻t₂的惯性导航信息称为第二拍惯性导航信息，第一拍惯性导航信息和第二拍惯性导航信息用于合理性判别和选择决策，如图1、图2和图3所示；

该方法的步骤为：

(1)对由多个惯性解算单元输出的第一拍惯性导航信息进行第一拍数据有效性判别，该有效性判别包括惯性导航信息的整数型一致性比较和惯性导航信息的浮点数一致性比较；

所述的惯性导航信息的整数型一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的整数型一致，是指惯性导航信息传递的通讯正确，且惯性导航信息中的整数型信息相等；

所述的惯性导航信息的浮点数一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的浮点数一致，是指惯性导航信息的速度和位置信息满足如下公式：

且

式中，x，y，z为惯性系位置，v_x，v_y，v_z为惯性系速度，x_m,y_m,z_m,V_{x_m},V_{y_m},V_{z_m}表示任意两个惯性导航信息中的一个惯性导航位置与速度，x_n,y_n,z_n,V_{x_n},V_{y_n},V_{z_n}表示任意两个惯性导航信息中的另一个惯性导航位置与速度；ε_insp为位置一致性门限，ε_insv为速度一致性门限；有一式不满足即为不一致；

任意两个惯性导航信息整数型一致性且浮点数一致，则认为此两个惯性导航信息一致。

(2)步骤(1)中得到的惯性导航信息一致性最多的作为组合导航的输入，如果一致性最多的惯性导航信息有两个以上，则按照惯性解算单元的逻辑编号从前往后选取，得到第一拍的作为组合导航输入的惯性导航信息；

(3)对第二怕的惯性导航信息采用步骤(1)-(2)的方法进行判别，得到第二拍的作为组合导航输入的惯性导航信息；

(4)判断步骤(2)得到的惯性导航信息和步骤(3)得到的惯性导航信息是否来自于同一个惯性解算单元，如果是来自于同一个惯性解算单元则进行步骤(5)，如果是来自于不同的惯性解算单元则认为惯性导航信息无效，结束本周期工作，等待进入下一个周期的工作；

(5)计算组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息，即计算组合导航周期起始时刻的惯性系位置和速度、载体系向惯性系坐标转换矩阵。

组合导航软件记录该起始时刻与时刻t₂的间隔时间t_gap。

1)惯性系位置、速度计算：

惯性系位置：

惯性系速度：

(x_a,y_a,z_a)为时刻t₁的惯性系位置，(x_b,y_b,z_b)为时刻t₂的惯性系位置，(v_{x_a},v_{y_a},v_{z_a})为时刻t₁的惯性系速度，(v_{x_b},v_{y_b},v_{z_b})为时刻t₂的惯性系速度，(x,y,z)为组合导航周期起始时刻的惯性系位置，(v_x,v_y,v_z)为组合导航周期起始时刻的惯性系速度，K_r为时间比例系数，K_r＝(T₁-t_gap)/T₁。

2)载体系到惯性系的姿态转换矩阵计算：

设时刻t₁的姿态四元数为：时刻t₂的姿态四元数为：则从时刻t₁到t₂间的转动四元数为：

式中，“о”表示四元数相乘。

从时刻t₁到t₂间转动的角度(Δθ_x Δθ_y Δθ_z)为：

组合导航周期起始时刻处的姿态四元数为：

其中，Δθ_{x_t}Δθ_{y_t}Δθ_{z_t}为从时刻t₁到组合导航周期起始时刻转动的角度，Δθ_{x_t}＝K_r·Δθ_x，Δθ_{y_t}＝K_r·Δθ_y，Δθ_{z_t}＝K_r·Δθ_z，K_r为时间比例系数，

组合导航周期起始时刻的载体系到惯性系的姿态转换矩阵为：

经过计算后得到组合导航周期起始时刻的惯性系位置和速度、载体系向惯性系坐标转换矩阵，即得到组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息用于后续组合导航计算。

实施例

某组合导航系统配置有3个惯性解算单元1～3(Process Unit，简称PU1、PU2、PU3)，组合导航单元上运行组合导航软件。

时间周期T1＝10ms(毫秒)，时间周期T2＝100ms，某一T1周期起始时刻t₁＝0.02s，结束时刻t₂＝0.03s，t_gap＝0.006s，可计算出组合导航起始时刻为0.024s。

t₁时刻组合导航录取的三个惯性解算单元的惯性导航信息如下：

PU1：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝1(1表示正常)；

(x_a,y_a,z_a)＝(10.0,20.0,30.0)

(V_{x_a},V_{y_a},V_{z_a})＝(1.0,2.0,3.0)

PU2：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝1(1表示正常)；

(x_a,y_a,z_a)＝(10.01,20.01,30.01)

(V_{x_a},V_{y_a},V_{z_a})＝(1.01,2.01,3.01)

PU3：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝1(1表示正常)；

(x_a,y_a,z_a)＝(11.0,21.0,31.0)

(V_{x_a},V_{y_a},V_{z_a})＝(1.5,2.5,3.5)

t₂时刻组合导航录取的三个惯性结算单元的惯性导航信息如下：

PU1：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝1(1表示正常)；

(x_b,y_b,z_b)＝(100.0,200.0,300.0)

(V_{x_b},V_{y_b},V_{z_b})＝(10.0,20.0,30.0)

PU2：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝1(1表示正常)；

(x_b,y_b,z_b)＝(100.01,200.01,300.01)

(V_{x_b},V_{y_b},V_{z_b})＝(10.01,20.01,30.01)

PU3：

通讯正常；

惯性信息自带状态标志＝0(0表示不正常)；

(x_b,y_b,z_b)＝(101.0,201.0,301.0)

(V_{x_b},V_{y_b},V_{z_b})＝(10.5,20.5,30.5)

位置一致性门限ε_insp＝0.2，速度一致性门限ε_insv＝0.1；

步骤(1)结果：

惯性导航信息的整数型一致性比较：

PU1与PU2整数型一致，PU2与PU3整数型一致，PU1与PU3整数型一致；

PU1与PU2浮点数一致，PU2与PU3浮点数不一致，PU1与PU3浮点数不一致；

则PU1与PU2惯性导航信息一致，PU2与PU3惯性导航信息不一致，PU1与PU3惯性导航信息不一致；

步骤(2)结果：

PU1与PU2一致，PU1的一致次数为1，PU2的一致次数为1，PU3的一致次数为0，PU1比PU2逻辑排序，取PU1的惯性导航信息作为第一拍的惯性导航信息；

步骤(3)结果：

PU1与PU2整数型一致，PU2与PU3整数型不一致，PU1与PU3整数型不一致；

PU1与PU2浮点数一致，PU2与PU3浮点数不一致，PU1与PU3浮点数不一致；

则PU1与PU2惯性导航信息一致，PU2与PU3惯性导航信息不一致，PU1与PU3惯性导航信息不一致；

PU1与PU2一致，PU1的一致次数为1，PU2的一致次数为1，PU3的一致次数为0，PU1比PU2逻辑排序靠前，取PU1的惯性导航信息作为第二拍的惯性导航信息；

步骤(4)结果：

步骤(2)得到的惯性导航信息和步骤(3)得到的惯性导航信息来自于同一个惯性解算单元PU1。

步骤(5)：

惯性系位置：

惯性系速度：

得到组合导航周期起始时刻处的惯性系位置和速度、载体系向惯性系坐标转换矩阵用于后续组合导航计算。

Claims (1)

1.一种多源惯性导航信息合理性判别方法，其特征在于该方法的步骤为：

(1)对由多个惯性解算单元输出的第一拍惯性导航信息进行第一拍数据有效性判别，该有效性判别包括惯性导航信息的整数型一致性比较和惯性导航信息的浮点数一致性比较；

(2)步骤(1)中任意两个第一拍惯性导航信息整数型一致且浮点数一致，则认为此两个第一拍惯性导航信息一致，选取其中任意一个第一拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息；

(3)对由多个惯性解算单元输出的第二拍惯性导航信息进行第二拍数据有效性判别，该有效性判别包括惯性导航信息的整数型一致性比较和惯性导航信息的浮点数一致性比较；

(4)步骤(3)中任意两个第二拍惯性导航信息整数型一致且浮点数一致，则认为此两个第二拍惯性导航信息一致，选取其中任意一个第二拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息；

(5)判断步骤(2)得到的第一拍惯性导航信息和步骤(4)得到的第二排惯性导航信息是否来自于同一个惯性解算单元，如果是来自于同一个惯性解算单元则进行步骤(6)，如果是来自于不同的惯性解算单元则认为惯性导航信息无效，结束本周期工作，等待进入下一个周期的工作；

(6)首先由组合导航软件记录组合导航周期起始时刻与第二拍惯性导航信息的时刻的时间间隔t_gap，然后计算得到组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息，即计算组合导航周期起始时刻惯性导航信息的惯性系位置、惯性系速度和载体系向惯性系坐标转换矩阵；

组合导航软件录取时刻t₁的惯性导航信息称为第一拍惯性导航信息，组合导航软件录取时刻t₂的惯性导航信息称为第二拍惯性导航信息；第一拍惯性导航信息和第二拍惯性导航信息用于合理性判别和选择决策；

步骤(1)和步骤(3)中所述的惯性导航信息的整数型一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的整数型一致，是指惯性导航信息传递的通讯正确，且惯性导航信息中的整数型信息相等；

步骤(1)和步骤(3)中所述的惯性导航信息的浮点数一致性比较是指：判别其中任意两个惯性导航信息的浮点数一致，是指惯性导航信息的速度和位置信息满足如下公式：

且

式中，(x_m,y_m,z_m)表示任意两个惯性导航信息中的一个惯性导航信息中的惯性系位置，(V_{x_m},V_{y_m},V_{z_m})表示任意两个惯性导航信息中的一个惯性导航信息中的惯性系速度，(x_n,y_n,z_n)表示任意两个惯性导航信息中的另一个惯性导航信息中的惯性系位置，(V_{x_n},V_{y_n},V_{z_n})表示任意两个惯性导航信息中的另一个惯性导航信息中的惯性系速度；ε_insp为惯性系位置一致性门限，ε_insv为惯性系速度一致性门限；

步骤(2)中选取第一拍惯性导航信息作为组合导航输入的惯性导航信息时，以得到的第一拍惯性导航信息一致性最多的作为组合导航的输入；

作为一致性最多的惯性导航信息有两个以上时，按照惯性解算单元的逻辑编号从前往后选取；

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的惯性系位置的计算方法为：

其中，(x_a,y_a,z_a)为第一拍惯性导航信息的时刻t₁的惯性系位置，(x_b,y_b,z_b)为第二拍惯性导航信息的时刻t₂的惯性系位置；K_r为时间比例系数，K_r＝(T₁-t_gap)/T₁，T₁为多个惯性解算单元向组合导航软件输送惯性信息的周期；

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的惯性系速度的计算方法为：

其中，(v_{x_a},v_{y_a},v_{z_a})为第一拍惯性导航信息的时刻t₁的惯性系速度，(v_{x_b},v_{y_b},v_{z_b})为第二拍惯性导航信息的时刻t₂的惯性系速度，(x,y,z)为组合导航周期起始时刻的惯性导航信息惯性系位置，(v_x,v_y,v_z)为组合导航周期起始时刻的惯性导航信息惯性系速度，K_r为时间比例系数，K_r＝(T₁-t_gap)/T₁，T₁为多个惯性解算单元向组合导航软件输送惯性信息的周期；

所述的步骤(6)中组合导航周期起始时刻处的惯性导航信息的载体系到惯性系的姿态转换矩阵的计算方法为：

设第一拍惯性导航信息的时刻t₁的姿态四元数为：第一拍惯性导航信息的时刻t₂的姿态四元数为：则从时刻t₁到t₂间的转动四元数为：

式中，表示四元数相乘；

从时刻t₁到时刻t₂间转动的角度(Δθ_x Δθ_y Δθ_z)为：

组合导航周期起始时刻处的姿态四元数为：

其中，(Δθ_{x_t} Δθ_{y_t} Δθ_{z_t})为从时刻t₁到组合导航周期起始时刻转动的角度，Δθ_{x_t}＝K_r·Δθ_x，Δθ_{y_t}＝K_r·Δθ_y，Δθ_{z_t}＝K_r·Δθ_z，K_r为时间比例系数，

组合导航周期起始时刻的载体系到惯性系的姿态转换矩阵为：