CN111366151A - 一种极地范围船舶导航的信息融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地范围船船舶导航的信息融合方法，其目的是为了解决船舶在极地范围卫星导航易受环境干扰造成信号不稳定致使短暂丢失卫星问题，以及惯性测量元件导航精度误差随时间积累的缺点。本发明利用卫星测量具有全天候且误差不随时间积累的特征抑制惯性器件长时漂移的定位方式，通过对惯性测量以及卫星测量组合的方式，建立卫星导航与惯性导航参考坐标系统一的基本框架，设计组合导航信息融合方法，对具有非线性，时间相关噪声，系统噪声和观测数据非高斯分布的系统，结合船舶极地范围实际运动模型对滤波器设计扩展卡尔曼滤波器对导航结果最优化求解，从而实现稳定、可靠性强，精度高的全天候导航系统。

Description

一种极地范围船舶导航的信息融合方法

技术领域

本发明涉及一种极地范围船舶导航的信息融合方法，特别是涉及一种应用 于船舶导航定位的多系统信息融合的方法。

背景技术

本发明涉及一种应用于极地范围船舶导航信息融合方法，特别是涉及一种 极地环境船用的组合式信息融合方法。

虽然随着卫星导航和无线通信技术的发展，通过卫星定位、预置信标和数 字地图匹配等方法，可以方便地获取个人或者运动体位置信息。但对于无信标 环境(无线电信号质量差、WiFi，卫星等通信系统等原因无法使用)，特别是极 地范围内恶劣的天气状况和特殊的地理条件导致传统罗经的精度降低，海图的 不易使用，岸基助航标志的缺乏，经线急剧收敛，航向改变快，地面导航设备 少，地形单调，大面积的冰雪，极地地区处于磁不可靠区域等对导航与定位影 响，一直是国内外导航与位置服务的难题和研究热点。

惯性导航作为一种自主式的导航与定位技术，依靠其惯性器件(加速度计、 陀螺)测量的载体运动信息来连续推算载体速度、位置和姿态，可为解决上述 问题提供有效技术手段，目前制约其在运动定位领域发展的关键在于性器件的 长时漂移。现有的极地范围内导航设备有卫星导航系统、HF无线电通信、LNAV 方式的通信导航等，虽然已经解决了极地导航定位难题，但该类产品主要依靠 无线电通讯导航，无法解决无线电异常时，定位精度差，航向失准问题，且此 类产品动态性能较弱。

本发明通过惯性导航和卫星导航组合技术利用扩展卡尔曼信息融合的方 法，能够弥补传统磁罗经或者陀螺罗经方位角失准、易受环境因素影响；惯性 导航系统误差随时间积累的特性；同时又能够弥补传统卫星导航设备受到干扰 定位误差大，方位角偏差大的缺点；特别适用于在卫星信号不稳定、地理环境 特殊运动体实时定位、方位角监测、有效确保航线的无误性。

发明内容

本发明通过组合导航的信息融合方法能够弥补传统磁罗经方位角失准、易 受环境因素影响等缺点；同时又能够弥补传统卫星导航设备受到干扰定位误差 大，方位角偏差大的缺点；特别适用于在卫星信号不稳定、地理环境特殊的极 地范围运动体实时定位、姿态角检测、为了解决上述技术问题，本发明采用的 方法是：

采用扩展卡尔曼滤波的信息融合方法对卫星测量以及惯性测量数据建立状 态模型进行最优化求解，结合船体运动的具体运动模型，设计匹配的滤波器。

与现有导航方法相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的一种极地范围船用组合式导航信息融合方法，解决了卫星 测量输出功率较低，噪声误差较大且导航信号容易被遮挡干扰的缺点。

2)本发明提供的一种极地范围船用组合式导航信息融合方法，通过组合导 航系统最优化的方法，有效修正惯性测量单元、造成的漂移大、误差大的缺点， 使得船舶整体的导航精度提高。

3)本发明利用惯性测量以及卫星测量组合的方法，卫星导航系统作为辅助 惯性导航具有检测船舶的三维姿态(俯仰角、横滚角、偏航角)的优点，克服 了卫星利用两路接收天线导航无法检测运动体横滚角的缺点。

4)本发明的信息融合器，结合船体在海中的运动模型，能够对船体导航信 号进行平滑处理，提高了卫星的抗干扰能力，从而实现航向角的高精度、定位 的可靠性。

附图说明

图1为一种极地范围船舶导航的坐标统一方法原理图。

图2为信息融合方法中的东北天导航坐标系。

图3为信息融合方法中的坐标统一的方法原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种极地范围船舶导航的信息融合方法，其目的是为了解决 船舶在极地范围卫星导航易受环境干扰造成信号不稳定导致短暂丢失卫星问 题，以及惯性测量元件导航精度误差随时间积累的缺点。本发明利用卫星测量 具有全天候且误差不随时间积累的特征抑制惯性器件长时漂移的定位方式，通 过对惯性测量以及卫星测量组合的方式，设计信息融合的方法，对具有非线性， 时间相关噪声，系统噪声和观测数据非高斯分布的系统，结合船舶实际运动模 型利用扩展卡尔曼滤波器对导航结果最优化求解，从而实现稳定性高、可靠性 强，精度高的全天候导航系统。

本发明提出的一种本发明公开了一种极地范围船舶导航的信息融合方法， 其步骤如下：

步骤1：建立卫星测量单元与惯性测量单元数据统一。

不同的导航系统基于不同的参考坐标系以及不相同的地球模型，卫星测量 采用双天线方法测量出姿态角与惯性测量的角度值在同一参考坐标系下，是数 据融合的前提。姿态解算采用四元素和方向余弦矩阵的方法

惯性测量单元导航解算中运用的参考坐标系与卫星测量的坐标系需要在同 一个坐标系下才可以实现高精度导航。卫星测量采用地球空间直接坐标系、当 地水平坐标系、地理坐标系，惯性测量采用空间惯性坐标系、载体坐标系、导 航坐标系，地心惯性参考坐标系将各个测量系统一到东北天导航坐标系下进行 数据融合，提高导航精确。传统导航系统的误差状态变量的位置信息误差是以 经纬高的形式给出，误差变量会涉及到小数点8位左右，用经纬高的误差形式 会造成实际的位置误差偏大的特点，本方法采用是以东北天导航坐标系作为参 考坐标系，直角坐标系以距离坐标原点的距离作为导航参数，位置结果是以毫 米为数量级，减小了计算角度中的误差。东北天导航坐标系如说明书附图中的 图2所示，坐标统一的方法，原理图如说明书附图中图2所示。

卫星测量的数据更新率较慢，卫星测量单元数据与惯性测量单元在采样时 间以及数据融合时要保证时间轴上的对应，对计算机处理各个数据的时间逻辑 顺序时间要有严格的控制，保证组合导航在时间轴上的精确性。

步骤2：建立多约束条件下惯性测量自主定位方程。

(a)建立惯性测量约束条件，船体和车辆在具体运动中具有不一样模型，极地 船舶需要满足海上航行条件，如图表1所示：

表1 不同摇摆条件下的摇摆台运动状态

表2 试验条件下的摇摆台运动状态

	横摇	纵摇	偏航
				振幅(度)	±20	±10	±5
周期(秒)	12-14	6-7	8-9

船体航行在海中，具有随海浪上下波动的特征，使得船体运动过程中始终 具有一定的摇摆，船艏与船尾的起伏，船体左右的摇晃。船体海中运动较车辆 的运动具有较小的动态性，而车辆可以实现，基于船体航行的一系列特征建立 惯性测量自动定位的约束方程，惯性导航的模型参数符合实际的船舶条件。

(b)建立惯性测量单元与卫星测量单元的误差状态方程和系统量测方程

建立惯性测量系统以及卫星测量系统的误差状态方程构成组合导航系统的 状态方程，根据惯性测量以及卫星测量的组合方式，本方法采用的是全组合方 式，选取卫星测量和惯性测量组合导航系统的误差状态变量，取惯性测量系统 的误差状态变量，不用扩充卫星测量的误差状态变量。

步骤3：自主定位智能信息融合：

导航数据包进入信息融合器后进行初始化导航参数，将初始状态和协方差 矩阵，扩展卡尔曼滤波具有无偏和估计均方差为最小的特性，卡尔曼滤波进行 时间更新和量测更新。

时间更新为：

量测更新为：

F(t_t-1)与H_k为雅克比矩阵和海森矩阵，F(t_k-1)的离散形式为Φ_k|k-1，如下：

Φ_k|k-1≈I+F(t_k-1)T_s (1.10)

EKF对非线性系统函数近似线性化处理，利用泰勒级数展开式，舍去高阶项， 保留级数低阶项。

信息数据融合器的参数初值包括地球物理模型中的长半径、地球扁率以及 地球自转的角速度等参数。连续系统状态转换阵F的时间更新，惯性测量单元 的误差参数组合为组成系统状态转换阵，其中包括惯性测量系统的速度信息、 位置信息，卫星导航系统的速度、位置、高度信息，连续系统输入矩阵的更新 和连续系统量测阵的更新，将连续系统转化为离散系统，根据外部卫星测量系 统的观测信息求取最优的导航信息。

本发明的一种极地范围内船舶导航信息融合器，解决了船舶在极地范围卫 星导航易受环境干扰造成信号不稳定导致短暂丢失跟踪卫星问题，卫星测量更 新率较低以及惯性测量元件导航精度误差随时间积累的缺点。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽 管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的 精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.发明公开了一种极地范围船舶导航的信息融合方法，其特征在于通过对惯性测量以及卫星测量组合的方式，设计信息融合的方法，对具有非线性，时间相关噪声，系统噪声和观测数据非高斯分布且处于极地特殊环境系统，从而实现稳定性高、可靠性强，精度高的全天候导航系统，从而解决极地范围船舶导航定位问题。

2.根据权利要求1所述的极地范围船舶导航的信息融合方法，其特征在于：步骤1中多参考坐标系统一。惯性测量单元导航解算中运用的参坐标系与卫星测量的坐标系统一在同一个坐标系下实现高精度导航，卫星测量采用地球空间直角坐标系、当地水平坐标系、地理坐标系，惯性测量采用空间惯性坐标系、载体坐标系、导航坐标系，将各个参考坐标系统一到东北天导航坐标系下进行数据融合，提高导航精度。

3.根据权利要求1所述的一种极地范围船舶导航的信息融合方法，其特征在于：步骤2中建立惯性测量约束条件，船体和车辆在具体运动中具有不一样的模型，船体航行在海中，具有随海浪上下波动的特征，使得船体运动过程中始终具有一定的摇摆，船艏与船尾的起伏，船体左右的摇晃。船体运动模型不同于陆地车辆运动模型，基于船体航行的一系列特征建立惯性测量自动定位的约束方程。建立惯性测量单元与卫星测量单元的误差状态方程和系统量测方程，建立组合导航系统误差状态方程。

4.根据权利要求1所述的极地范围船舶导航的信息融合方法，其特征在于：步骤3中，数据融合及有效抑制惯性器件长时间漂移的方法，EKF对非线性系统函数近似线性化处理，利用泰勒级数展开式，舍去高阶项，保留级数低阶项。时间更新为：

量测更新为：

F(t_k-1)与H_k为雅克比矩阵和海森矩阵，F(t_k-1)的离散形式为Φ_k|k-1，如下：

Φ_k|k-1≈I+F(t_k-1)T_s (1.5)

导航数据包进入信息融合器后开始初始化导航参数，将初始状态和协方差矩阵，扩展卡尔曼滤波具有无偏和估计均方差为最小的特性。

初始值包括地球物理模型中的长半径、地球扁率以及地球自转的角速度等参数。连续系统状态转换阵F的时间更新，惯性测量单元的误差参数为组合系统状态转换阵，其中包括惯性测量系统的速度信息、位置信息，卫星导航系统的速度、位置、高度信息，连续系统输入矩阵的更新和连续系统量测阵的更新，将连续系统转化为离散系统，根据外部卫星测量系统的观测信息求取最优的导航信息。针对这类非线性、时变、特殊系统，设计适应此环境下的智能滤波器。

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