CN108007457B - 一种基于细分时间片的监控导航系统异步数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的异步数据融合方法，本方法首先建立冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的非线性滤波模型，利用容积卡尔曼滤波对系统状态进行估计，消除系统非线性给监控导航系统定位误差带来的影响；其次利用细分时间片方法来增强多传感器信息的利用率，从而显著提高舰艇自主导航的精度和可靠性，延长舰艇惯导系统的外部重调时间间隔。

Description

一种基于细分时间片的监控导航系统异步数据融合方法

技术领域

本发明设计的是一种监控导航方法，更确切地说，是利用细分时间片法来处理冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统中两种陀螺仪数据不同步问题，从而提高惯性导航系统定位精度的一种导航方法。

背景技术

在舰船导航中，惯性导航占有重要地位。作为一种全自主式导航定位技术，它具有全天候、隐蔽性好、不易被干扰、生存能力强等优点。惯性导航系统(Inertial NavigationSystem，INS)依靠惯性组件(陀螺仪和加速度计)实时敏感载体的运动状态，经过导航解算输出载体的速度、位置和姿态等导航信息。而陀螺仪作为惯导系统的基本核心部件，其精度将直接影响舰船惯导系统的性能。

近几十年来，在国防建设的迫切需求牵引和大力发展下，高精度陀螺仪技术得到了飞速的发展，已从第一代基于牛顿力学的转子陀螺仪发展到第二代基于波动光学的光学陀螺仪。其中静电陀螺仪作为精度最高的转子陀螺仪，被广泛应用于战略武器装备中，但是它存在着价格昂贵、维修费用高、体积庞大等问题，严重限制了其进一步的发展和应用；而包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪在内的光学陀螺仪，主要应用于战术武器装备中，但光学陀螺仪面临着精度提高缓慢的技术瓶颈。

随着我国向深远海不断挺进以及海洋强国等重大战略的实施，对舰船惯导系统性能的要求也越来越高，亟需开展基于新原理超高精度陀螺仪技术的研究。随着原子光学领域的重大科学发展与技术突破，国外已将超高精度陀螺仪的研究重点转向第三代陀螺仪—原子陀螺仪，其中冷原子干涉陀螺仪是原子陀螺仪中理论精度最高的一种陀螺仪，因此冷原子干涉陀螺仪已成为国内外超高精度惯导系统研究的重点。

虽然冷原子干涉陀螺仪技术已经取得了一定的突破，但其动态测量范围小、数据更新率低等技术瓶颈问题尚未得到解决，其性能难以满足实际导航应用需求，无法直接用作舰艇的惯导系统。惯导监控器对于陀螺仪的稳定性和重复性要求较高，而在动态测量范围和数据更新率方面要求较低，这恰好符合冷原子干涉陀螺仪的现有技术特点。因此，结合现有冷原子干涉陀螺仪和光学陀螺仪的技术特点，开展冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的研究。但是在该监控导航系统中，由于冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的固有数据更新率、传播延迟等的不同，两种信息源存在异步现象，从而影响监控导航系统的精度。

为此，本发明提出了一种基于冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的异步数据融合方法，本方法首先建立冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的非线性滤波模型，利用容积卡尔曼滤波对系统状态进行估计，从而消除系统非线性给监控导航系统定位误差带来的影响；其次利用细分时间片方法来增强多传感器信息的利用率，从而显著提高舰艇自主导航的精度和可靠性，延长舰艇惯导系统的外部重调时间间隔。

发明内容

本发明的目的是提供一种冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航数据融合方法，满足舰船远程、长航时条件下高精度纯惯性导航系统需求。

本发明的目的是通过以下步骤来实现的：

步骤1：在运载体上安装冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪惯性导航系统，对冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统进行预热，并采集各个传感器的数据；

步骤2：充分考虑实际系统的非线性特征，以光纤陀螺惯导系统为主系统，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的非线性状态方程；

步骤3：利用冷原子干涉陀螺仪的高精度姿态信息监控光纤陀螺惯导系统，将二者输出的姿态差作为观测量，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的量测方程；

步骤4：利用细分时间片法对冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的量测信息进行同步化处理；

步骤5：利用非线性滤波器容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter，CKF)完成监控导航系统的时间更新和量测更新，对系统状态进行估计，最终实现高精度冷原子干涉陀螺仪对光纤陀螺仪的监控，提高舰船监控导航系统的精度。

在上述方法的步骤(3)中，利用冷原子干涉陀螺仪的高精度姿态信息监控光纤陀螺惯导系统，将二者输出的姿态差作为观测量，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的量测方程，具体方法为：

其中是

和

分别是监控导航系统的横摇、纵摇和航向姿态误差，

和

是光纤陀螺仪的三轴姿态角，

和

分别是冷原子干涉陀螺仪的三轴姿态角，η为观测噪声，且有η～N(0,R)，R为系统观测噪声矩阵。

在上述方法的步骤(4)中，用细分时间片法对冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的量测信息进行同步处理，其具体方法为：

设光纤陀螺仪的采样时间间隔为T_FOG，冷原子干涉陀螺仪的采样时间间隔为T_CAIG，则监控导航系统数据融合的时间间隔ΔT按照如下方式设置：

设

(其中N_FOG，N_CAIG∈R⁺)，则

在上述方法的步骤(5)中，利用非线性滤波器CKF完成监控导航系统的时间更新和量测更新，其具体方法为：

1)按照步骤(4)中所得到的监控导航系统数据融合时间间隔ΔT对系统进行时间更新；

2)判断监控导航系统数据融合时间间隔ΔT处的观测量：

i)当仅存在冷原子干涉陀螺观测信息时，利用光纤陀螺上一时刻的姿态信息与当前时刻的冷原子干涉陀螺仪姿态信息计算量测量，从而完成量测更新；

ii)当仅存在光纤陀螺观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iii)当不存在冷原子干涉陀螺观测信息和光纤陀螺观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iv)当同时存在冷原子干涉陀螺仪观测信息和光纤陀螺仪观测信息时，按照量测方程计算观测量，按照CKF量测更新过程完成监控导航系统的状态估计。

本发明的优势在于：(1)采用量子陀螺监控光学陀螺，利用高稳定性的冷原子干涉陀螺仪来完成光学陀螺误差的估计和校正，抑制光纤陀螺器件误差对系统精度的影响，提高冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的定位精度；(2)利用细分时间片法解决不同传感器的时间不同步问题，并利用非线性滤波器CKF完成对冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统状态的估计，进一步提高舰船纯惯性条件下导航系统的精度。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明中利用细分时间片处理异步数据融合算法示意图；

图3为利用本发明方法得到的运载体姿态误差曲线；

图4为利用光纤陀螺纯惯导解算所得到的姿态误差曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施案例，对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于细分时间片的冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统的异步数据融合方法，方法示意图如图1所示。本发明的目的是通过以下步骤来实现的：

1、将冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统固定安装于舰船上，对冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统进行充分预热，开始工作，采集各个传感器的传感数据；

2、充分考虑实际系统的非线性特征，以光纤陀螺惯导系统为主系统，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的非线性状态方程：

选取位置误差、速度误差、姿态误差以及器件误差组成监控导航系统的状态向量，如下所示：

其中，δλ和

分别为监控导航系统的经度误差和纬度误差，δv_x和δv_y分别是导航系统的东向和北向速度误差，α_x、α_y和α_z分别为系统的失准角误差，

和

分别是光纤陀螺的常值陀螺漂移，

和

分别是冷原子干涉陀螺仪的常值陀螺漂移。

根据舰船惯性导航系统的基本原理，充分考虑动态情况下的非线性特性，建立监控导航系统的非线性状态方程为：

X＝f(X,ρ)

其中f(·)为监控导航系统的非线性状态方程，ρ为监控导航系统的状态噪声，且有ρ～N(0,Q)，Q为系统噪声矩阵。

3、利用冷原子干涉陀螺仪的高精度姿态信息监控光纤陀螺惯导系统，将二者输出的姿态差作为观测量，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的量测方程：

其中，h(·)是监控导航系统的量测方程，

和

分别是监控导航系统的横摇、纵摇和航向姿态误差，

和

是光纤陀螺仪的三轴姿态角，

和

分别是冷原子干涉陀螺仪的三轴姿态角，η为观测噪声，且有η～N(0,R)，R为系统观测噪声矩阵。

4、利用细分时间片法对冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的量测信息进行同步处理，如图2所示。设光纤陀螺仪的采样时间间隔为T_FOG，冷原子干涉陀螺仪的采样时间间隔为T_CAIG，则监控导航系统数据融合的时间间隔ΔT按照如下方式设置：

设

(其中N_FOG，N_CAIG∈R⁺)，则

5、按照步骤(4)中所得到的监控导航系统数据融合时间间隔ΔT，利用CKF时间更新过程对系统进行时间更新，完成监控导航系统状态量的一步预测

时间更新步骤如下：

其中，ξ_i为容积点。

随后判断监控导航系统数据融合时间间隔ΔT处的观测量：

i)当仅存在冷原子干涉陀螺观测信息时，利用光纤陀螺上一时刻的姿态信息与当前时刻的冷原子干涉陀螺仪姿态信息计算量测量，从而完成量测更新；

ii)当仅存在光纤陀螺观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iii)当不存在冷原子干涉陀螺观测信息和光纤陀螺观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iv)当同时存在冷原子干涉陀螺仪观测信息和光纤陀螺仪观测信息时，按照量测方程计算观测量，按照CKF量测更新过程完成监控导航系统的状态估计。

CKF量测更新过程如下：

Y_i,k|k-1＝h(X_i,k|k-1)

从而最终实现高精度冷原子干涉陀螺仪对光纤陀螺仪的监控，提高舰船惯性导航系统的精度。

本发明的效果可以通过如下仿真得到验证：

首先设置仿真条件，假设水面舰船的摇摆模型为：

其中，θ、ψ和γ分别为舰船的纵摇、横摇和航向角，摇摆幅值分别设置为：θ_m＝2°，ψ_m＝2°，γ_m＝3°；摇摆周期分别为：T_θ＝10s，T_ψ＝8s，T_γ＝6s；初始姿态角分别为：θ₀＝0°，ψ₀＝0°，γ₀＝45°；初始经纬度为：λ＝126.6705°，

系统初始失准角为：α_x＝α_y＝1°，α_z＝5°；光纤陀螺常值漂移为：

采样频率为100Hz；冷原子干涉陀螺仪常值陀螺漂移为：

采样频率为0.5Hz；仿真时间为900s。

根据上述仿真设置，利用本发明所述方法得到的载体姿态误差曲线以及利用光纤陀螺纯惯导解算所得的姿态误差曲线分别如图3和图4所示。从图3和图4可以看出，光纤陀螺纯惯性导航系统所计算得到的运载体姿态误差是发散的，且航向误差约为5度左右；而采用本发明所提供算法得到的姿态误差角曲线迅速收敛，且稳定值均在0附近。因此，本发明提供的方法具有更加精确的估计精度和鲁棒性，可以有效地提高舰船的导航能力。

Claims (2)

1.一种基于细分时间片的监控导航系统异步数据融合方法，包括以下步骤：

步骤1：在运载体上安装冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪惯性导航系统，对冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统进行预热，并采集各个传感器的数据；

步骤2：充分考虑实际系统的非线性特征，以光纤陀螺仪惯性导航系统为主系统，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的非线性状态方程；

步骤3：利用冷原子干涉陀螺仪的高精度姿态信息监控光纤陀螺仪惯性导航系统，将二者输出的姿态差作为观测量，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的量测方程；

步骤4：利用细分时间片法对冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的量测信息进行同步化处理；

步骤5：利用非线性滤波器容积卡尔曼滤波完成监控导航系统的时间更新和量测更新，对系统状态进行估计，最终实现高精度冷原子干涉陀螺仪对光纤陀螺仪的监控，提高舰船监控导航系统的精度；

步骤3中利用冷原子干涉陀螺仪的高精度姿态信息监控光纤陀螺仪惯性导航系统，将二者输出的姿态差作为观测量，建立冷原子干涉陀螺仪-光纤陀螺仪监控导航系统的量测方程，具体方法为：

其中是

和

分别是监控导航系统的横摇、纵摇和航向姿态误差，

和

是光纤陀螺仪的三轴姿态角，

和

分别是冷原子干涉陀螺仪的三轴姿态角，η为观测噪声，且有η～N(0,R)，R为系统观测噪声矩阵；

所述步骤5利用非线性滤波器容积卡尔曼滤波完成监控导航系统的时间更新和量测更新，其具体方法为：

(1)得到监控导航系统数据融合时间间隔ΔT，然后按照CKF对系统进行时间更新；

(2)判断监控导航系统数据融合时间间隔ΔT处的观测量：

i)当仅存在冷原子干涉陀螺仪观测信息时，利用光纤陀螺仪上一时刻的姿态信息与当前时刻的冷原子干涉陀螺仪姿态信息计算量测量，从而完成量测更新；

ii)当仅存在光纤陀螺仪观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iii)当不存在冷原子干涉陀螺仪观测信息和光纤陀螺仪观测信息时，利用当前时刻的时间更新预测值作为当前时刻的状态估计值；

iv)当同时存在冷原子干涉陀螺仪观测信息和光纤陀螺仪观测信息时，按照量测方程计算观测量，按照CKF量测更新过程完成监控导航系统的状态估计。

2.根据权利要求1所述的一种基于细分时间片的监控导航系统异步数据融合方法，其特征在于，所述步骤4中用细分时间片法对冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的量测信息进行同步化处理，其具体方法为：

设光纤陀螺仪的采样时间间隔为T_FOG，冷原子干涉陀螺仪的采样时间间隔为T_CAIG，则监控导航系统数据融合的时间间隔ΔT按照如下方式设置：

设

其中N_FOG，N_CAIG∈R⁺，则

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