CN107907898A - 基于格网框架的极区sins/gps组合导航算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，包括如下步骤，步骤1，对SINS系统进行格网导航设置；步骤2，对GPS系统和SINS系统进行组合设置；步骤3，得到极区SINS/GPS组合导航系统的状态方程；步骤4，得到极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程；步骤5，将SINS系统校正输出的导航参数作为组合导航系统的输出。在格网坐标系中，通过采用极区格网惯性导航力学编排，在极区SINS/GPS组合导航过程中，顺利快速的完成极区导航任务，满足极区导航全自主、长航时和高精度导航的能力的要求。
Description
技术领域
本发明涉及极区导航系统的导航算法，具体为基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法。
背景技术
现有的中低维度的SINS/GPS组合导航系统中，首先由捷联惯性导航系统(SINS)和全球卫星导航系统(GPS)对飞机的飞行参数分别进行测量；然后，将SINS和GPS各自输出的对应导航参数相减作为量测量，送入组合导航卡尔曼滤波器进行信息融合；接着，利用卡尔曼滤波估计值实时地对SINS进行误差校正；最终，将SINS校正输出的导航参数作为组合导航系统的输出。SINS/GPS组合导航的方案结构如图1所示。
中低纬度地区SINS/GPS组合导航方案已经相对成熟，采用指北方位力学编排基本可以满足中低纬度地区组合导航的需要。由于极区特殊的地理位置，惯性导航设备在极区无法输出传统意义下的航向和位置信息，但是惯性导航系统仍然可以完成位置方向余弦矩阵和姿态方向余弦矩阵的正常计算。由于地球经线在极区逐渐收敛为一点，所以惯性导航系统在极区不能通过常规的经纬度来表达其位置信息。因此，在高纬度地区由于经度收敛造成定位定向困难，需要重新考虑惯性力学编排克服经线收敛引起的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，能够较好的克服SINS和GPS各自的缺点，明显的提高工作性能，满足在极区的导航需求。
本发明是通过以下技术方案来实现：
基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，包括如下步骤，
步骤1，对SINS系统进行格网导航设置；建立格网坐标系，并在极地航图上将所有的经线平行于格林威治子午线进行绘制；
步骤2，对GPS系统和SINS系统进行组合设置；在格网坐标系的基础上，SINS系统采用指北方位惯导力学编排，并将格网北向作为GPS系统的航向参考；
步骤3，根据极区SINS/GPS组合导航系统的状态变量，SINS系统误差方程和极区SINS/GPS组合系统的状态向量XG，得到极区SINS/GPS组合导航系统的状态方程如下，
其中，FG(t)为系统状态矩阵；GG(t)为系统噪声驱动阵；系统噪声WG(t)＝[wgx wgywgz wax way waz]T，wgx、wgy、wgz分别为沿载体x、y、z轴上陀螺仪的白噪声，wax、way、waz分别为沿载体x、y、z轴上加速度计的白噪声；
步骤4，根据极区SINS/GPS组合导航系统中，将SINS系统的输出位置信息和GPS系统的输出位置信息之差作为量测值ZIG，得到极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程如下，
ZIG＝HXG+VG；
其中，H为量测矩阵；VG为GPS的量测白噪声阵，其量测噪声方差强度阵为R；
步骤5，将由极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程得到的量测量，送入卡尔曼滤波器中进行信息融合，利用融合得到的卡尔曼滤波估计值实时地对SINS系统进行误差校正；最终将SINS系统校正输出的导航参数作为组合导航系统的输出。
优选的，步骤1中，假设P点为飞行载体所在位置，以P点处平行于格林威治子午面的平面作为格网平面，以载体所在地的水平面作为切平面，格网平面与切平面的交线就定义为格网北向，格网天向同地理天向重合，格网东向在切平面内且与格网北向垂直构成右手直角坐标系，建立形成格网坐标系。
优选的，步骤3中，所述的极区SINS/GPS组合系统的状态向量XG如下所示，
其中包括的SINS/GPS组合导航系统的状态变量为：
捷联惯性导航系统数学平台姿态误差角分别为格网航向角、格网俯仰角和格网横滚角；
捷联惯性导航系统速度误差分别为格网东向速度误差、格网北向速度误差和格网天向速度误差；
位置误差δRe＝[δx δy δz]T，分别为ECEF坐标系下的x向、y向和z向位置误差；
陀螺随机常值漂移ε＝[εxεy vz]T，分别为x向、y向和z向陀螺随机常值漂移；
加速度计随机常值偏置分别为x向、y向和z向加速度计随机常值偏置。
优选的，步骤4中，在高纬度地区GPS系统的输出位置是ECEF坐标，同时将SINS系统采用ECFC坐标系表达位置信息。
进一步的，步骤4中，根据下式将SINS系统的速度输出转换到ECEF坐标下：
其中，为格网坐标系下SINS的速度输出； 为ECEF坐标系下SINS的速度值。
再进一步的，步骤4中，极区SINS/GPS组合导航系统的量测值ZIG为：
其中：为SINS的速度输出；为GPS的速度输出；为SINS的位置输出；为GPS的位置输出；δvxINS，δvyINS，δvzINS为SINS的速度误差；δvxGPS，δvyGPS，δvzGPS为GPS的速度误差；δxINS，δyINS，δzINS为SINS的位置误差；δxGPS，δyGPS，δzGPS为GPS的位置误差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在导航算法时，摒弃传统人为定义的经纬度概念，避免由于经线收敛引起的定位困难；利用格网导航的基本思想，在极地航图上将所有的经线平行于格林威治子午线绘制，这样载体所有的方位测量都是相对于格林威治子午线及其平行线定义的，即使在极区，经线也不会收敛于一点，这样可以避免极区相对当地经线定位困难的问题，并将极大的减少极区飞行过程中航向改变的次数；在格网坐标系中，通过采用极区格网惯性导航力学编排，在极区SINS/GPS组合导航过程中，顺利快速的完成极区导航任务，满足极区导航全自主、长航时和高精度导航的能力的要求。
进一步的，在量测值计算时，通过将SINS系统的输出位置与GPS系统输出位置在ECEF坐标中划归统一，保证了量测的精确确定。
附图说明
图1为现有技术的中低纬度SINS/GPS组合导航算法的流程框图。
图2为本发明实例中所述的极区仿真轨迹中纬度、经度和高度的位置变化示意图。
图3为在极区SINS/GPS组合导航系统的姿态误差估计值与中低纬度地区仿真参数相同情况下，姿态误差估计值中俯仰角误差、横滚角误差和航向角误差的仿真结果对比图。
图4为在极区SINS/GPS组合导航系统的姿态误差估计值与中低纬度地区仿真参数相同情况下，速度误差估计值中东向速度误差、北向速度误差和天向速度误差的仿真结果对比图。
图5为在极区SINS/GPS组合导航系统的姿态误差估计值与中低纬度地区仿真参数相同情况下，位置误差估计值中纬度误差、经度误差和高度误差的仿真结果对比图。
图6为在极区SINS/GPS组合导航系统的姿态误差估计值与中低纬度地区仿真参数相同情况下，x、y和z轴陀螺常值漂移估计值的仿真结果对比图。
图7为在极区SINS/GPS组合导航系统的姿态误差估计值与中低纬度地区仿真参数相同情况下，x、y和z轴加速度计常值估计值的仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明采用极区格网惯性导航力学编排，在极区SINS/GPS组合导航过程中，SINS采用格网力学编排方案。在格网坐标系框架下的SINS/GPS组合导航系统可以很好的完成极区导航任务，满足极区导航全自主、长航时和高精度导航的能力要求。
在惯性导航系统中，中低纬度地区采用指北方位惯导力学编排方案，航向以真北作为参考，与之对应的GPS系统也以真北作为航向参考；而在极区为克服经线收敛造成的定位定向难题，惯性导航系统采用格网力学编排方案，与之对应GPS也应以格网北向作为航向参考。
首先，确定极区SINS/GPS组合导航系统的状态方程。
选取SINS/GPS组合导航系统的状态变量为：捷联惯性导航系统数学平台姿态误差角分别为格网航向角、格网俯仰角和格网横滚角；捷联惯性导航系统速度误差分别为格网东向速度误差、格网北向速度误差和格网天向速度误差；位置误差δRe＝[δx δy δz]T，分别为ECEF坐标系下的x向、y向和z向位置误差；陀螺随机常值漂移ε＝[εx εy vz]T，分别为x向、y向和z向陀螺随机常值漂移；加速度计随机常值偏置分别为x向、y向和z向加速度计随机常值偏置。
因此，SINS/GPS组合导航系统状态向量为:
其展开式为：
其中：
C13＝CweR+CwGR
C23＝vG×(2CweR+CwGR)
根据SINS系统误差方程及极区SINS/GPS组合系统的状态向量XG，列写出SINS/GPS组合导航系统的状态方程为：
其中，FG(t)为系统状态矩阵；GG(t)为系统噪声驱动阵；系统噪声WG(t)＝[wgx wgywgz wax way waz]T，这里wgx、wgy、wgz分别为沿载体x、y、z轴上陀螺仪的白噪声，wax、way、waz分别为沿载体x、y、z轴上加速度计的白噪声。
然后，确定极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程。
在高纬度地区GPS的输出位置是ECEF坐标，SINS也可以采用ECFC坐标系表达位置信息，极区SINS/GPS组合导航系统可采用SINS输出的位置信息与GPS的对应输出信息之差作为量测值，因此需要将SINS的速度输出转换到ECEF坐标下：
则，极区SINS/GPS量测ZIG为：
结合前面所选取的系统状态向量XG，根据上述量测量ZIG可以列写出极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程为
ZIG＝HXG+VG
其中，为量测矩阵；VG为GPS的量测白噪声阵，其量测噪声方差强度阵为R。
最后，将由极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程得到的量测量，送入卡尔曼滤波器中进行信息融合，利用融合得到的卡尔曼滤波估计值实时地对SINS系统进行误差校正；最终将SINS系统校正输出的导航参数作为组合导航系统的输出。
对本发明所述的算法进行仿真验证。
飞越极区的飞行过程中模拟了飞机的加速、爬升、转弯机动，极区轨迹中包含了载机飞越极点的轨迹。轨迹参数设置如下：
轨迹起始点：[83°N 108°E 5000]
轨迹终点：[83.05°N 76.33°W 6516m]
飞行速度：起始速度200m/s，最高速度270m/s。
飞行时间：7200s。
飞行距离：840mn。
本发明极区仿真轨迹中的位置变化如图2所示：
极区SINS/GPS组合导航系统的其他仿真参数与中低纬度地区仿真参数相同，仿真结果对比如图3-7所示。
由图3、图4和图5的仿真结果可知，基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航系统中，SINS的导航参数误差获得了显著的收敛。在5s飞机水平加速后水平平台失准角迅速收敛，经过7200秒的组合导航仿真，姿态误差收敛稳定后航向角误差稳定在5′，俯仰角误差和横滚角误差小于0.5′；全程三个方向的速度误差小于0.1m/s；纬度误差和经度误差都小于5m。与中低纬度的SINS/GPS组合导航系统误差精度相当，可见，极区SINS/GPS组合导航系统可以很好的完成极区导航任务。
但是由图6和图7可知，极区飞行中陀螺常值漂移和加速度计偏置值的估计需要机动，在转弯机动后水平陀螺漂移估计值开始逐渐收敛到0.01°/h，而方位陀螺漂移一直未收敛，因此对于天向陀螺的补偿在极区无法进行，只能借助外部信息；有加速和转弯机动后，三个轴向的加速度计的偏置值逐渐收敛至40ug。
本发明从理论上完善极区格网惯性力学编排方案，并对SINS/GPS组合导航系统工作在中低纬度与极区的环境下进行仿真，为基于格网框架的极区惯性组合导航提供理论支撑。仿真结果表明：极区格网导航坐标系下的SINS/GPS组合导航系统能够较好的克服SINS和GPS各自的缺点，明显的提高工作性能，通过仿真结果比较，可以得到基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航方案的导航精度同中低纬度地区组合导航方案一致，验证了极区SINS/GPS组合导航方案的有效性。
Claims (6)
1.基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，对SINS系统进行格网导航设置；建立格网坐标系，并在极地航图上将所有的经线平行于格林威治子午线进行绘制；
步骤2，对GPS系统和SINS系统进行组合设置；在格网坐标系的基础上，SINS系统采用指北方位惯导力学编排，并将格网北向作为GPS系统的航向参考；
步骤3，根据极区SINS/GPS组合导航系统的状态变量，SINS系统误差方程和极区SINS/GPS组合系统的状态向量XG，得到极区SINS/GPS组合导航系统的状态方程如下，
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其中，FG(t)为系统状态矩阵；GG(t)为系统噪声驱动阵；系统噪声WG(t)＝[wgx wgy wgzwax way waz]T，wgx、wgy、wgz分别为沿载体x、y、z轴上陀螺仪的白噪声，wax、way、waz分别为沿载体x、y、z轴上加速度计的白噪声；
步骤4，根据极区SINS/GPS组合导航系统中，将SINS系统的输出位置信息和GPS系统的输出位置信息之差作为量测值ZIG，得到极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程如下，
ZIG＝HXG+VG；
其中，H为量测矩阵；VG为GPS的量测白噪声阵，其量测噪声方差强度阵为R；
步骤5，将由极区SINS/GPS组合导航系统的量测方程得到的量测量，送入卡尔曼滤波器中进行信息融合，利用融合得到的卡尔曼滤波估计值实时地对SINS系统进行误差校正；最终将SINS系统校正输出的导航参数作为组合导航系统的输出。
2.根据权利要求1所述的基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，步骤1中，假设P点为飞行载体所在位置，以P点处平行于格林威治子午面的平面作为格网平面，以载体所在地的水平面作为切平面，格网平面与切平面的交线就定义为格网北向，格网天向同地理天向重合，格网东向在切平面内且与格网北向垂直构成右手直角坐标系，建立形成格网坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，步骤3中，所述的极区SINS/GPS组合系统的状态向量XG如下所示，
其中包括的SINS/GPS组合导航系统的状态变量为：
捷联惯性导航系统数学平台姿态误差角分别为格网航向角、格网俯仰角和格网横滚角；
捷联惯性导航系统速度误差分别为格网东向速度误差、格网北向速度误差和格网天向速度误差；
位置误差δRe＝[δx δy δz]T，分别为ECEF坐标系下的x向、y向和z向位置误差；
陀螺随机常值漂移ε＝[εx εy vz]T，分别为x向、y向和z向陀螺随机常值漂移；
加速度计随机常值偏置▽＝[▽x ▽y ▽z]T，分别为x向、y向和z向加速度计随机常值偏置。
4.根据权利要求1所述的基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，步骤4中，在高纬度地区GPS系统的输出位置是ECEF坐标，同时将SINS系统采用ECFC坐标系表达位置信息。
5.根据权利要求4所述的基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，步骤4中，根据下式将SINS系统的速度输出转换到ECEF坐标下：
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其中，为格网坐标系下SINS的速度输出； 为ECEF坐标系下SINS的速度值。
6.根据权利要求5所述的基于格网框架的极区SINS/GPS组合导航算法，其特征在于，步骤4中，极区SINS/GPS组合导航系统的量测值ZIG为：
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其中：为SINS的速度输出；为GPS的速度输出；为SINS的位置输出；为GPS的位置输出；δvxINS，δvyINS，δvzINS为SINS的速度误差；δvxGPS，δvyGPS，δvzGPS为GPS的速度误差；δxINS，δyINS，δzINS为SINS的位置误差；δxGPS，δyGPS，δzGPS为GPS的位置误差。
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- 2017-11-07 CN CN201711085303.8A patent/CN107907898A/zh active Pending
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