CN111595331A - 时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法 - Google Patents

时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，建立了卫星接收机钟差和钟漂模型，通过在线拟合卫星接收机钟差和钟漂，并将拟合的卫星接收机钟差和钟漂引入到惯性/卫星/相对测距信息组合导航算法；构建了基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航状态方程和观测方程，最后采用Kalman滤波估计出捷联惯性导航的状态误差，并完成捷联惯性导航的校正。该方法在可见卫星数和它弹数量不足的情况下，可增加惯性/卫星/相对测距信息组合导航系统可观测性。

Description

时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法
技术领域
本发明涉及一种时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息辅助的组合导航方法，属于导航技术领域。
背景技术
随着现代科技的不断发展，传统的导弹及其作战方式正暴露出越来越多的弊端。因而，许多国家开始关注导弹武器协同导航定位的问题研究。20世纪70年代中期，美国第一次提出了协同作战的概念，并且取得了许多研究成果。同期，俄罗斯研制的“花岗岩”超声速反舰导弹采用了领弹与攻击弹的攻击方式，也体现了导弹武器协同作战的理念。由此可见，导弹武器协同作战是导弹武器未来发展的主要方向。
随着相对导航、组网定位技术的发展，距离信息是一个非常重要的可测量信息，且具有较高的精度。目前，国内外对采用相对距离信息与惯性组合的研究还比较少，研究相对测距信息与惯性组合，具有现实意义和使用价值。为了充分利用卫星导航信息，给出了一种基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗干扰能力强、精度高的基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息的组合导航方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，具体包括：
(1)建立卫星接收机钟差和钟漂模型，在线拟合卫星接收机钟差和钟漂，并将拟合的卫星接收机钟差和钟漂引入到惯性/卫星/相对测距信息组合导航算法；
(2)构建基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航状态方程，采用捷联惯性15维状态误差微分方程；
(3)构建观测方程，采用卫星导航和相对测距信息与用捷联惯性导航的解算结果计算的伪距及相对距离值的差值作为观测量，并引入拟合得到的卫星接收机钟差和钟漂值对观测量进行修正，构建观测矩阵；
(4)采用Kalman滤波估计出捷联惯性导航的状态误差，并完成捷联惯性导航的校正。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)引入卫星接收机钟差和钟漂模型，在可见卫星数和它弹数量不足的情况下，可增加惯性/卫星/相对测距信息组合导航系统可观测性；
(2)引入卫星接收机钟差和钟漂模型，在没有它弹信息辅助的情况下，可在可见卫星数为3颗时实现导航定位。
附图说明
图1为本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法钟差钟漂拟合流程图；
图2为本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法信息流程图；
图3为本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法钟差估计值；
图4为本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法钟漂估计值；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
如图1所示是本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法钟差钟漂拟合流程图，通过建立卫星导航接收机钟差和钟漂模型，在线拟合卫星接收机钟差和钟漂，并将拟合的卫星接收机钟差和钟漂引入到惯性/卫星/相对测距信息组合导航算法，具体如下：
惯性/卫星/相对测距信息组合导航系统伪距方程为
Figure BDA0002310881050000021
其中，δl为卫星接收机时钟误差，ρij为未被干扰卫星j到导弹i的距离，[gxj gyjgzj]为未被干扰卫星j在地球坐标系下的位置，[sxi syi szi]为导弹i的位置，ρki为其他导弹或数据链设备k到导弹i的距离，[sxk syk szk]为其他导弹或数据链设备k在地球坐标系下的位置。
上述方程中有4个未知量，为求解上述方程，可见卫星数与可用它弹相对测距信息数不能少于4。通常，卫星接收机的钟差在一定时间内是一个随机常值，因此，本发明将正常组合状态下估计出的接收机钟差的平均值作为接收机的实际钟差，即将正常组合状态下的钟差估计值进行累加，当可见卫星和它弹数之后少于4颗时，计算估计出的钟差平均值，并作为接收机的实际钟差，则上述方程可简化为：
Figure BDA0002310881050000031
上式中，通过钟差拟合等效并引入伪距方程中，减少了1个未知量，可以改善卫星几何分布，提高可见卫星和可用它弹信息不足情况下的定位精度。
卫星接收机钟漂随时间保持稳定的线性变化，则可以对该时间段内的接收机钟漂数据建立线性模型。接收机的钟漂模型可建为
b＝β0+β1t
采用最小二乘算法对上式进行最优估计，可得：
Figure BDA0002310881050000032
式中：bi(i＝1,2,…,n)—第i时刻的钟漂估计值；
ti(i＝1,2,…,n)—第i时刻的时间；
Figure BDA0002310881050000041
—钟漂估计值、时间的均值；
与伪距方程类似，通过将拟合出的钟漂模型引入到伪距率方程中，可以改善卫星几何分布，提高可见卫星和可用它弹信息不足情况下的测速精度。
如图2所示为本发明基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法信息流程图，具体为：
(1)构建基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航状态方程，具体如下：
状态变量选取捷联惯性导航15维状态误差(3轴姿态误差
Figure BDA0002310881050000042
3轴速度误差δV＝[δVN δVU δVE]、3轴位置误差δP＝[δL δλ δh]、3轴陀螺零偏ε＝[εx εy εz]及3轴加表零偏
Figure BDA0002310881050000043
)，即
Figure BDA0002310881050000044
以北天东地理坐标系作为导航坐标系，建立系统状态方程为
Figure BDA0002310881050000045
其中，F(t)为状态转移矩阵，G(t)为系统噪声驱动矩阵，W(t)＝[wωx wωy wωz waxway waz]T为系统噪声阵，wωi,wai(i＝x,y,z)分别为沿弹体系三个轴向的陀螺零均值白噪声和加速度计零均值白噪声。
(2)构建观测方程，采用卫星导航和相对测距信息与用捷联惯性导航的解算结果计算的伪距及相对距离值的差值作为观测量，并引入拟合得到的卫星接收机钟差和钟漂值对观测量进行修正，构建观测矩阵，具体如下：
对伪距方程进行泰勒级数展开，得观测方程为：
Zρ(t)＝Hρ(t)X(t)+Vρ(t)
其中，
Zρ(t)＝[δρ11 … δρ1n δρ21 … δρm1]T，
Figure BDA0002310881050000046
Figure BDA0002310881050000051
(3)采用Kalman滤波估计出捷联惯性导航的状态误差，并完成捷联惯性导航的校正。
卡尔曼滤波包括时间更新和量测更新两部分，设系统噪声协方差阵为Q，量测噪声协方差阵为R，则
状态估值计算方程：
Figure BDA0002310881050000052
状态一步预测方程：
Figure BDA0002310881050000053
滤波增益方程：
Figure BDA0002310881050000054
一步预测均方误差方程：
Figure BDA0002310881050000055
估计均方误差方程：
Figure BDA0002310881050000056
通过卡尔曼滤波估计出捷联惯性导航状态误差，并对捷联惯性导航进行校正。

Claims (4)

1.一种时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立卫星接收机钟差和钟漂模型，在线拟合卫星接收机钟差和钟漂，并将拟合的卫星接收机钟差和钟漂引入到惯性/卫星/相对测距信息组合导航算法；
(2)构建基于时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航状态方程，采用捷联惯性15维状态误差微分方程；
(3)构建观测方程，采用卫星导航和相对测距信息与用捷联惯性导航的解算结果计算的伪距及相对距离值的差值作为观测量，并引入拟合得到的卫星接收机钟差和钟漂值对观测量进行修正，构建观测矩阵；
(4)采用Kalman滤波估计出捷联惯性导航的状态误差，并完成捷联惯性导航的校正。
2.根据权利要求1所述的一种时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，其特征在于，步骤(1)卫星接收机的钟差在一定时间内是一个随机常值，将正常组合状态下估计出的接收机钟差的平均值作为接收机的实际钟差，即将正常组合状态下的钟差估计值进行累加，当可见卫星和它弹数之后少于4颗时，计算估计出的钟差平均值，并作为接收机的实际钟差。
3.根据权利要求2所述的一种时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，其特征在于，卫星接收机钟漂随时间保持稳定的线性变化，则可以对该时间段内的接收机钟漂数据建立线性模型；接收机的钟漂模型可建为
b＝β0+β1t
采用最小二乘算法对上式进行最优估计，可得：
Figure FDA0002310881040000011
Figure FDA0002310881040000012
式中：bi(i＝1,2,…,n)—第i时刻的钟漂估计值；
ti(i＝1,2,…,n)—第i时刻的时间；
Figure FDA0002310881040000021
—钟漂估计值、时间的均值；
与伪距方程类似，通过将拟合出的钟漂模型引入到伪距率方程中，可以改善卫星几何分布，提高可见卫星和可用它弹信息不足情况下的测速精度。
4.根据权利要求3所述的一种时钟模型辅助的惯性/卫星/相对测距信息组合导航方法，其特征在于，步骤(2)状态变量选取捷联惯性导航15维状态误差(3轴姿态误差
Figure FDA0002310881040000022
3轴速度误差δV＝[δVN δVU δVE]、3轴位置误差δP＝[δL δλ δh]、3轴陀螺零偏ε＝[εx εy εz]及3轴加表零偏▽＝[▽x ▽y ▽z])，即
Figure FDA0002310881040000023
以北天东地理坐标系作为导航坐标系，建立系统状态方程为
Figure FDA0002310881040000024
其中，F(t)为状态转移矩阵，G(t)为系统噪声驱动矩阵，W(t)＝[wωx wωy wωz wax waywaz]T为系统噪声阵，wωi,wai(i＝x,y,z)分别为沿弹体系三个轴向的陀螺零均值白噪声和加速度计零均值白噪声。
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