CN109781100A - 一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，包括以下步骤：选取惯性导航系统作为主导航系统，引入外部观测导航信息作为观测量，以格网惯导系统姿态、速度、位置误差为状态量，构建包含输出校正与反馈校正两种校正通道的组合导航系统；选取误差校正周期时长，使得一个误差校正周期内包含n个输出校正周期与1个反馈校正周期，输出校正周期与反馈校正周期与滤波周期相同；获得量测信息后，通过基于时间标志的反馈通道选择器判断是否进行校正，选择校正通道；本发明提高了组合导航系统的短时精度与时稳定性，保证长航时工作条件下卡尔曼滤波估计精度，进而保障导航系统长航时精度与可靠性。

Description

一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正 方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法。

背景技术

格网惯性导航系统是极区常用的基础导航设备，为了满足极区运载器对导航性能的需求，引入卡尔曼滤波算法构成组合导航系统，对格网惯导系统的导航误差进行估计，以滤波估计结果修正格网惯导系统，对误差进行校正，可以提高导航性能。受到极区恶劣环境的影响，极区组合导航的主要观测信息易受干扰，导致滤波估计结果存在误差，而滤波估计的结果通过输出校正或反馈校正的形式对惯导系统进行修正，进而影响导航性能，因此，校正方式也会对导航性能产生影响。

传统的校正方式包括输出校正与反馈校正。输出校正作为一种开环校正回路，校正结构如图1所示，卡尔曼滤波估计误差仅影响导航输出精度，不影响格网惯导系统自身精度，对于观测噪声具有较强的鲁棒性，量测粗差对校正效果影响较小，系统稳定性强，但由于无法有效校正格网惯导系统内部误差，格网惯导的误差随时间积累，组合导航模型逐渐失去反应系统真实状态的能力，滤波估计精度逐渐下降甚至发散，无法保证导航系统长航时工作性能；反馈校正作为一种闭环校正回路，校正结构如图2所示，反馈校正将滤波器估计结果反馈至格网惯导系统内部，格网惯导系统误差得到修正，可以保证长航时滤波稳定性，但是，卡尔曼滤波估计误差被引入惯导系统，估计误差成为惯导系统误差源之一，量测噪声对导航精度影响较大，系统稳定性差。综上所述，现有的组合导航校正方法不能满足极区运载器对导航性能的需求，限制了系统的实际工作效果与工作时长。

本发明设计一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，该校正方法具有一种特殊的双通道反馈结构，包括输出校正通道与反馈校正通道，以及基于时间标志的反馈通道选择器，在一个误差校正周期内，根据时间信号选择反馈通道，实现不同双通道误差校正。因此，基于卡尔曼滤波估计的极区组合

导航双通道误差校正方法既可以通过输出校正修正格网惯导系统的输出误差，保正导航系统短时精度，且抑制量测噪声对导航性能的影响，又可以通过反馈校正定期修正格网惯导系统内部误差，延长系统重调时间，保障长航时导航性能，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，实现极区导航设备性能提升。

一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，包括以下步骤：

(1)选取惯性导航系统作为主导航系统，引入外部观测导航信息作为观测量，以格网惯导系统姿态、速度、位置误差为状态量，构建包含输出校正与反馈校正两种校正通道的组合导航系统；

(2)选取误差校正周期时长，使得一个误差校正周期内包含n个输出校正周期与1个反馈校正周期，输出校正周期与反馈校正周期与滤波周期相同；

(3)获得量测信息后，通过基于时间标志的反馈通道选择器判断是否进行校正，选择校正通道；

(4)导航系统的卡尔曼滤波器进行滤波估计，并通过步骤(3)选择的校正通道，对惯导系统进行误差修正。

所述获得量测信息后，通过基于时间标志的反馈通道选择器判断是否进行校正，选择校正通道，包括：

若在输出校正周期内，则开通输出校正通道，关闭反馈校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过输出校正通道修正格网惯导系统的输出误差；

若在反馈校正周期内，则打开反馈校正通道，关闭输出校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过反馈校正通道修正格网惯导系统的内部误差。

本发明的有益效果在于：

本发明针对极区特殊工作环境，创新的将传统的两种误差校正模式进行设计结合，设计了具有双反馈通道的误差校正结构，并设计使用了用于选择反馈通道的基于时间标志的反馈通道选择器，通过输出校正通道实现对量测信息噪声的抑制，提高组合导航系统的短时精度与时稳定性，同时通过反馈校正通道实现对格网惯导系统内部误差的定期修正，保证长航时工作条件下卡尔曼滤波估计精度，进而保障导航系统长航时精度与可靠性，性能稳定且易于实现，因此本发明具有很高的工程应用价值。

附图说明

图1是现有技术中输出校正结构图；

图2是现有技术中反馈校正结构图；

图3是本发明的基本流程框图；

图4是误差修正周期示意图；

图5是双通道反馈校正结构图；

图6是基于时间标志的反馈通道选择器结构图；

图7是导航系统姿态角误差曲线；

图8是导航系统速度误差曲线；

图9是导航系统位置误差曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提出一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，其流程图如附图3所示，该方法的主要步骤如下：

(1)选取惯性导航系统作为主导航系统，引入外部观测导航信息作为观测量，以格网惯导系统姿态、速度、位置误差为状态量，构建包含输出校正与反馈校正两种校正通道的组合导航系统；

(2)选取合适的时长作为误差校正周期，一个误差校正周期内包含n个输出校正周期与1个反馈校正周期，输出校正周期与反馈校正周期与滤波周期相同；

(3)获得k时刻的量测信息后，进行卡尔曼滤波估计，获得滤波器输出滤波估计结果；

(4)在k时刻所处误差校正周期内，按照时间信号判断所处时间属于输出校正周期还是反馈校正周期，若在输出校正周期内，则开通输出校正通道，关闭反馈校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过输出校正通道，修正格网惯导系统的输出误差，保证输出导航信息的精度；若在反馈校正周期内，则打开反馈校正通道，关闭输出校正通道，卡尔曼滤波器的估计结果通过反馈校正通道，修正格网惯导系统的内部误差，消除格网惯导系统内部误差积累，保障长航时导航精度与可靠性。

为了验证本发明的合理性、可行性，参阅图4、图5、图6，基于matlab设计程序，进行仿真实验验证，仿真的方案、条件及结果如下所示：

(1)仿真时间设置

仿真时长为24h，仿真步长为0.01s。

(2)载体运动设置

初始纬度75°N，初始经度126°E。

模拟载体静基座条件下的工作状态，即载体无线运动和角运动。

(3)误差参数设置

三个陀螺仪的常值漂移分别设置为0.0015°/h、0.0020°/h和0.0030°/h；加速度计的零偏设置为3×10^-5g；多普勒计程仪噪声为零均值白噪声。

(4)仿真结果

依上述仿真条件，对所设计的捷联惯导系统精度性能进行仿真，图7、图8与图9分别为导航系统的姿态角误差、速度误差曲线、位置误差曲线，每一个仿真图中包括了传统输出校正导航误差曲线、传统反馈校正导航误差曲线与双通道校正导航误差曲线。由图7、图8与图9可知，量测噪声对传统输出校正组合导航系统影响较小，系统短时精度好，但输出校正系统长航时运行时误差发散，精度不能满足运载器工作需求；反馈校正系统会将量测噪声引起的估计误差引入惯导系统，误差随时间积累难以消除；双通道反馈系统可以通过选择输出校正通道有效抵抗量测噪声的干扰，定期切换反馈校正通道维持长航时导航精度，满足应用需求。

综合上述分析，得到如下分析结果：通过本发明提出的基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，既可以通过输出校正通道提高短时导航精度，并有效抑制量测噪声对组合导航精度的影响，又可以通过定期修正惯导系统内部误差，保证导航系统在极区长航时工作的导航性能。因此，本发明可以全面的提升极区导航性能，满足运载器在极区长时间工作对导航系统可靠性与精度的应用需求。

一种极区组合导航的自适应双通道校正方法，包括如下步骤：

(1)选取惯性导航系统作为主导航系统，引入外部观测导航信息作为观测量，以格网惯导系统姿态、速度、位置误差为状态量，构建包含输出校正与反馈校正两种校正通道的组合导航系统；

(2)选取误差校正周期时长，使得一个误差校正周期内包含n个输出校正周期与1个反馈校正周期，输出校正周期与反馈校正周期与滤波周期相同；

(3)获得k时刻的量测信息后，进行卡尔曼滤波估计，获得滤波器输出滤波估计结果；

(4)在k时刻所处误差校正周期内，按照时间信号判断所处时间属于输出校正周期还是反馈校正周期，若在输出校正周期内，则开通输出校正通道，关闭反馈校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过输出校正通道，修正格网惯导系统的输出误差，保证输出导航信息的精度；若在反馈校正周期内，则打开反馈校正通道，关闭输出校正通道，卡尔曼滤波器的估计结果通过反馈校正通道，修正格网惯导系统的内部误差，消除格网惯导系统内部误差积累，保障长航时导航精度与可靠性。

格网惯性导航系统是极区常用的基础导航设备，为了满足极区运载器对导航性能的需求，引入卡尔曼滤波算法构成组合导航系统，对格网惯导系统的导航误差进行估计，以滤波估计结果修正格网惯导系统，对误差进行校正，可以提高导航性能。受到极区恶劣环境的影响，极区组合导航的主要观测信息易受干扰，导致滤波估计结果存在误差，而滤波估计的结果通过输出校正或反馈校正的形式对惯导系统进行修正，进而影响导航性能，因此，校正方式也会对导航性能产生影响。

传统的校正方式包括输出校正与反馈校正。输出校正作为一种开环校正回路，校正结构如图1所示，卡尔曼滤波估计误差仅影响导航输出精度，不影响格网惯导系统自身精度，对于观测噪声具有较强的鲁棒性，量测粗差对校正效果影响较小，系统稳定性强，但由于无法有效校正格网惯导系统内部误差，格网惯导的误差随时间积累，组合导航模型逐渐失去反应系统真实状态的能力，滤波估计精度逐渐下降甚至发散，无法保证导航系统长航时工作性能；反馈校正作为一种闭环校正回路，校正结构如图2所示，反馈校正将滤波器估计结果反馈至格网惯导系统内部，格网惯导系统误差得到修正，可以保证长航时滤波稳定性，但是，卡尔曼滤波估计误差被引入惯导系统，估计误差成为惯导系统误差源之一，量测噪声对导航精度影响较大，系统稳定性差。综上所述，现有的组合导航校正方法不能满足极区运载器对导航性能的需求，限制了系统的实际工作效果与工作时长。

本发明设计一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，该校正方法具有一种特殊的双通道反馈结构，包括输出校正通道与反馈校正通道，以及基于时间标志的反馈通道选择器，在一个误差校正周期内，根据时间信号选择反馈通道，实现不同双通道误差校正。因此，基于卡尔曼滤波估计的极区组合

导航双通道误差校正方法既可以通过输出校正修正格网惯导系统的输出误差，保正导航系统短时精度，且抑制量测噪声对导航性能的影响，又可以通过反馈校正定期修正格网惯导系统内部误差，延长系统重调时间，保障长航时导航性能，具有重要的工程应用价值。

Claims (2)

1.一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取惯性导航系统作为主导航系统，引入外部观测导航信息作为观测量，以格网惯导系统姿态、速度、位置误差为状态量，构建包含输出校正与反馈校正两种校正通道的组合导航系统；

(2)选取误差校正周期时长，使得一个误差校正周期内包含n个输出校正周期与1个反馈校正周期，输出校正周期与反馈校正周期与滤波周期相同；

(3)获得量测信息后，通过基于时间标志的反馈通道选择器判断是否进行校正，选择校正通道；

(4)导航系统的卡尔曼滤波器进行滤波估计，并通过步骤(3)选择的校正通道，对惯导系统进行误差修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于卡尔曼滤波估计的极区组合导航双通道误差校正方法，其特征在于，所述获得量测信息后，通过基于时间标志的反馈通道选择器判断是否进行校正，选择校正通道，包括：

若在输出校正周期内，则开通输出校正通道，关闭反馈校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过输出校正通道修正格网惯导系统的输出误差；

若在反馈校正周期内，则打开反馈校正通道，关闭输出校正通道，卡尔曼滤波器估计结果通过反馈校正通道修正格网惯导系统的内部误差。