CN112648993B - 一种多源信息融合组合导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种多源信息融合组合导航系统及方法，包括组合导航模块、惯性导航模块、修正模块、判决模块、最优导航信息输出模块和多个信息源，信息源包括卫星导航系统、惯性导航系统和至少一个其他信息源。本发明在多信息源组合导航时，通过多路观测量分别建立独立的位置、速度解算回路、共用姿态解算回路的方式降低多源信息融合时相互耦合对组合导航效果的影响。

Description

一种多源信息融合组合导航系统及方法
技术领域
本发明涉及一种多源信息融合组合导航系统及方法，属于导航技术领域。
背景技术
当系统同时存在卫星、视觉导航设备、地形匹配设备时，为了尽可能的对信息进行利用需同时利用多种信息源提供的导航信息进行组合导航。
同时利用多种信息源进行组合导航，多种信息源精度、频率均不相同，因此直接进行组合时多源信息耦合较为严重，影响导航性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种降低多源信息融合时相互耦合对组合导航效果影响的多源信息融合组合导航系统及方法。
本发明的技术解决方案：一种多源信息融合组合导航系统，包括组合导航模块、惯性导航模块、修正模块、判决模块、最优导航信息输出模块和多个信息源，信息源包括卫星导航系统、惯性导航系统和至少一个其他信息源；
所述的惯性导航模块包括惯性导航姿态支路和至少两路惯性导航速度位置支路，每一个惯性导航速度位置支路与除惯性导航系统外的信息源对应，惯性导航姿态支路单独进行姿态的惯性导航解算，得到姿态信息，每一路的惯性导航速度位置支路独立进行速度位置的惯性导航解算，得到每一路的速度位置信息；
所述的组合导航模块包括至少两路组合导航分模块，每一个除惯性导航系统外的信息源与惯性导航系统组成一个组合导航分模块，每一个组合导航分模块独立进行组合导航，得到每一个组合导航分模块的位置、速度、姿态误差估计值；
所述的修正模块包括姿态修正支路和至少两路速度位置修正支路，每一个速度位置修正支路与除惯性导航系统外的信息源对应，姿态修正支路利用卫星/惯导组合导航分模块得到的姿态误差估计值对惯性导航姿态支路解算的姿态信息进行修正，通过最优导航信息输出模块输出；每一路速度位置修正支路利用对应的组合导航分模块得到的位置、速度误差估计值对对应的惯性导航速度位置支路解算的速度位置信息进行修正，并发送给最优导航信息输出模块；
所述的判决模块根据判决规则，确定最优导航信息输出模块输出的某路速度位置修正值；
所述的最优导航信息输出模块根据判决模块得到的判决结果，输出某路速度位置修正支路的速度位置修正值，以及输出姿态修正支路的姿态修正值。
一种多源信息融合组合导航方法，通过以下步骤实现：
第一步，惯性导航解算，得到姿态信息；
第二步，多路独立的惯性导航速度解算；
第三步，多路独立的惯性导航位置解算；
第四步，多路组合导航解算，得到所有惯导/某信息源组合导航解算的载体的位置、速度、姿态误差估计值。
第五步，修正，
利用第四步的组合导航解算结果，利用惯导/卫星组合导航解算的的姿态误差估计值对第一步惯性导航解算的姿态进行修正；利用第四步得到的惯导/某信息源组合导航解算的位置、速度误差估计值对第二步、第三步对应的该支路信息源独立解算的位置、速度进行修正；
第六步，最优化导航信息输出，
A6.1、确定判决门限Ti，i＝1,2,…n，n为除惯性导航系统外的信息源总数，以第i个信息源的失效时间T信息源为优化参数，选取不同的T信息源值，以惯导和该信息源组合导航解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的T信息源为Ti；
A6.2、确定优先判断顺序，判断信息源的导航精度，按照导航精度确定优先判断顺序；
A6.3、输出第五步中修正后的姿态信息；同时，根据步骤A6.2确定的优先判断顺序，进行判断，若上一优先判断顺序能满足T信息源≤Ti，则输出第五步中该信息源修正后的位置、速度；若上一优先判断顺序不能满足T信息源≤Ti，则判断下一优先判断顺序；
第七步，重复第一步至六步，直至飞行结束。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明在惯性与卫星、视觉导航设备、地形匹配设备等多信息源组合导航时，通过多路观测量分别建立独立的位置、速度解算回路、共用姿态解算回路的方式降低多源信息融合时相互耦合对组合导航效果的影响；
(2)本发明通过限定判决门限，确定不同情况下，优选输出不同的组合导航信息，进一步降低了多源信息融合时相互耦合对组合导航效果影响。
附图说明
图1为本发明理论框图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种多源信息融合组合导航系统，包括组合导航模块、惯性导航模块、修正模块、判决模块、最优导航信息输出模块和多个信息源，信息源包括卫星导航系统、惯性导航系统和至少一个其他信息源。
其他信息源如视觉导航系统、地形匹配导航系统等现有信息源。
惯性导航模块包括惯性导航姿态支路和至少两路惯性导航速度位置支路，每一个惯性导航速度位置支路与除惯性导航系统外的信息源对应，惯性导航姿态支路单独进行姿态的惯性导航解算，得到姿态信息，每一路的惯性导航速度位置支路独立进行速度位置的惯性导航解算，得到每一路的速度位置信息。
组合导航模块包括至少两路组合导航分模块，每一个除惯性导航系统外的信息源与惯性导航系统组成一个组合导航分模块，每一个组合导航分模块独立进行组合导航，得到每一个组合导航分模块的位置、速度、姿态误差估计值。
修正模块包括姿态修正支路和至少两路速度位置修正支路，每一个速度位置修正支路与除惯性导航系统外的信息源对应，姿态修正支路利用卫星/惯导组合导航分模块得到的姿态误差估计值对惯性导航姿态支路解算的姿态信息进行修正，通过最优导航信息输出模块输出；每一路速度位置修正支路利用对应的组合导航分模块得到的位置、速度误差估计值对对应的惯性导航速度位置支路解算的速度位置信息进行修正，并发送给最优导航信息输出模块。
判决模块根据判决规则，确定最优导航信息输出模块输出的某路速度位置修正值。
最优导航信息输出模块根据判决模块得到的判决结果，输出某路速度位置修正支路的速度位置修正值，以及输出姿态修正支路的姿态修正值。
进一步，判决规则为速度位置修正卫星支路优于速度位置修正视觉支路，速度位置修正视觉支路优于速度位置修正地形匹配支路；若还存在其他信息源，判断信息源的导航精度，按照导航精度确定优先支路。
进一步，优选判决规则为，若TGNSS≤T1，则输出速度位置修正卫星支路修正值，其中TGNSS为卫星导航系统失效时间，T1为卫星支路判决门限；若TGNSS＞T1且TP≤T2，则输出速度位置修正视觉支路修正值，其中TP为视觉导航系统失效时间，T2为视觉支路判决门限；若TGNSS＞T1、TP＞T2且TD≤T3，则输出速度位置修正地形匹配支路修正值，其中TD为地形匹配导航系统失效时间，T3为地形匹配支路判决门限。
进一步，卫星支路判决门限T1确定，以TGNSS为优化参数，选取不同的TGNSS值，以惯导/卫星组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TGNSS为T1。
进一步，视觉支路判决门限T2确定，以TP为优化参数，选取不同的TP值，以惯导/视觉组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TP为T2。
进一步，地形匹配支路判决门限T3确定，以TD为优化参数，选取不同的TD值，以惯导/地形匹配组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TD为T3。
同理，若存在其他支路，判决门限确定同上。
本发明如图2所示，提供一种多源信息融合组合导航方法，分别针对多种观测量(惯性与卫星、视觉导航设备、地形匹配设备组合导航等)建立独立的位置、速度以及组合导航计算通道；多种观测量共用姿态积分通道；在输出端根据各个通道特性最优化的输出组合导航结果等步骤，降低多源信息融合时相互耦合对组合导航效果的影响。
实现过程如下：
第一步，惯性导航解算，得到姿态信息。
本步骤为本领域公知技术，利用惯性导航系统敏感的角速度信息进行姿态解算。
第二步，多路独立的惯性导航速度解算。
针对卫星、视觉导航设备、地形匹配设备等多种信息源建立多路惯性导航速度解算，每一路惯性导航速度解算均独立进行。每一路惯性导航速度解算均为本领域公知技术。
第三步，多路独立位置解算。
针对卫星导航系统、视觉导航系统、地形匹配导航系统等多种信息源建立多路惯性导航位置解算，每一路惯性导航位置解算均独立进行。每一路惯性导航位置均为本领域公知技术。
第四步，多路组合导航解算。
利用Kalman滤波，针对卫星、视觉导航设备、地形匹配设备等多种信息源分别与惯导组合进行组合导航解算，得到所有惯导/某信息源组合导航解算的载体的位置、速度、姿态误差估计值。
惯导/卫星、惯导/视觉导航设备、惯导/地形匹配设备等组合导航解算以及Kalman滤波，可参考本领域公知技术。
第五步，修正。
利用第四步的组合导航解算结果，利用惯导/卫星组合导航解算的的姿态误差估计值对第一步惯性导航解算的姿态进行修正；利用第四步得到的惯导/某信息源组合导航解算的位置、速度误差估计值对第二步、第三步对应的该支路信息源独立解算的位置、速度进行修正。
如惯导/卫星组合导航解算得到的位置、速度误差估计值对第二、三步针对卫星建立的独立导航支路解算得到的位置、速度进行修正，惯导/视觉导航设备组合导航解算得到的位置、速度误差估计值对第二、三步视觉导航设备独立导航解算得到的位置、速度进行修正，惯导/地形匹配设备组合导航解算得到的位置、速度误差估计值对第二、三步地形匹配设备独立导航解算得到的位置、速度进行修正。
第六步，最优化导航信息输出。
A6.1、确定判决门限Ti，i＝1,2,…n，n为除惯性导航系统外的信息源总数，以第i个信息源的失效时间T信息源为优化参数，选取不同的T信息源值，以惯导和该信息源组合导航解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的T信息源为Ti。
A6.2、确定优先判断顺序，判断信息源的导航精度，按照导航精度确定优先判断顺序。
A6.3、输出第五步中修正后的姿态信息；同时，根据步骤A6.2确定的优先判断顺序，进行判断，若上一优先判断顺序能满足T信息源≤Ti，则输出第五步中该信息源修正后的位置、速度；若上一优先判断顺序不能满足T信息源≤Ti，则判断下一优先判断顺序。
例如，本实例存在惯性导航系统、卫星导航系统、视觉导航系统、地形匹配导航系统。
若公式(1)成立，则输出第五步中修正后的卫星支路的位置、速度；
TGNSS≤T1 (1)
若公式(2)成立，则输出第五步中修正后的视觉导航设备支路的位置、速度；
Figure BDA0002885534260000071
若公式(3)成立，则输出第五步中修正后的地形匹配设备支路的位置、速度；
Figure BDA0002885534260000081
其中TGNSS为卫星导航支路失效时间，TP为视觉导航设备支路失效时间，TD为地形匹配设备支路失效时间，T1、T2、T3为判决门限。
本步骤中通过限定判决门限，确定不同情况下，优选的组合导航信息，降低了多源信息融合时相互耦合对组合导航效果影响。
第七步，重复第一步至六步，直至飞行结束。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种多源信息融合组合导航系统，其特征在于：包括组合导航模块、惯性导航模块、修正模块、判决模块、最优导航信息输出模块和多个信息源，信息源包括卫星导航系统、惯性导航系统和至少一个其他信息源；
所述的惯性导航模块包括惯性导航姿态支路和至少两路惯性导航速度位置支路，每一个惯性导航速度位置支路与除惯性导航系统外的信息源对应，惯性导航姿态支路单独进行姿态的惯性导航解算，得到姿态信息，每一路的惯性导航速度位置支路独立进行速度位置的惯性导航解算，得到每一路的速度位置信息；
所述的组合导航模块包括至少两路组合导航分模块，每一个除惯性导航系统外的信息源与惯性导航系统组成一个组合导航分模块，每一个组合导航分模块独立进行组合导航，得到每一个组合导航分模块的位置、速度、姿态误差估计值；
所述的修正模块包括姿态修正支路和至少两路速度位置修正支路，每一个速度位置修正支路与除惯性导航系统外的信息源对应，姿态修正支路利用卫星/惯导组合导航分模块得到的姿态误差估计值对惯性导航姿态支路解算的姿态信息进行修正，通过最优导航信息输出模块输出；每一路速度位置修正支路利用对应的组合导航分模块得到的位置、速度误差估计值对对应的惯性导航速度位置支路解算的速度位置信息进行修正，并发送给最优导航信息输出模块；
所述的判决模块根据判决规则，确定最优导航信息输出模块输出的某路速度位置修正值，所述的判决规则为速度位置修正卫星支路优于速度位置修正视觉支路，速度位置修正视觉支路优于速度位置修正地形匹配支路，若还存在其他信息源，判断信息源的导航精度，按照导航精度确定优先支路；
所述的最优导航信息输出模块根据判决模块得到的判决结果，输出某路速度位置修正支路的速度位置修正值，以及输出姿态修正支路的姿态修正值。
2.根据权利要求1所述的一种多源信息融合组合导航系统，其特征在于：所述的判决规则为，若TGNSS≤T1，则输出速度位置修正卫星支路修正值，其中TGNSS为卫星导航系统失效时间，T1为卫星支路判决门限；若TGNSS＞T1且TP≤T2，则输出速度位置修正视觉支路修正值，其中TP为视觉导航系统失效时间，T2为视觉支路判决门限；若TGNSS＞T1、TP＞T2且TD≤T3，则输出速度位置修正地形匹配支路修正值，其中TD为地形匹配导航系统失效时间，T3为地形匹配支路判决门限。
3.根据权利要求2所述的一种多源信息融合组合导航系统，其特征在于：所述的卫星支路判决门限T1确定，以TGNSS为优化参数，选取不同的TGNSS值，以惯导/卫星组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TGNSS为T1。
4.根据权利要求2所述的一种多源信息融合组合导航系统，其特征在于：所述的视觉支路判决门限T2确定，以TP为优化参数，选取不同的TP值，以惯导/视觉组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TP为T2。
5.根据权利要求2所述的一种多源信息融合组合导航系统，其特征在于：所述的地形匹配支路判决门限T3确定，以TD为优化参数，选取不同的TD值，以惯导/地形匹配组合导航分模块解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的TD为T3。
6.一种多源信息融合组合导航方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，惯性导航解算，得到姿态信息；
第二步，针对多种信息源建立多路独立的惯性导航速度解算；
第三步，针对多种信息源建立多路独立的惯性导航位置解算；
第四步，多路组合导航解算，得到所有惯导/某信息源组合导航解算的载体的位置、速度、姿态误差估计值；
第五步，修正，
利用第四步的组合导航解算结果，利用惯导/卫星组合导航解算的姿态误差估计值对第一步惯性导航解算的姿态进行修正；利用第四步得到的惯导/某信息源组合导航解算的位置、速度误差估计值对第二步、第三步对应的信息源独立解算的位置、速度进行修正；
第六步，最优化导航信息输出，
A6.1、确定判决门限Ti，i＝1,2,…n，n为除惯性导航系统外的信息源总数，以第i个信息源的失效时间T信息源为优化参数，选取不同的T信息源值，以惯导和该信息源组合导航解算得到位置、速度误差估计值最小为优化目的，进行数值仿真优化，确定位置、速度误差估计值最小时对应的T信息源为Ti；
A6.2、确定优先判断顺序，判断信息源的导航精度，按照导航精度确定优先判断顺序；
A6.3、输出第五步中修正后的姿态信息；同时，根据步骤A6.2确定的优先判断顺序，进行判断，若上一优先判断顺序能满足T信息源≤Ti，则输出第五步中该信息源修正后的位置、速度；若上一优先判断顺序不能满足T信息源≤Ti，则判断下一优先判断顺序；
第七步，重复第一步至六步，直至飞行结束。
7.根据权利要求6所述的一种多源信息融合组合导航方法，其特征在于：所述第六步中，
若公式(1)成立，则输出第五步中修正后的卫星支路的位置、速度；
TGNSS≤T1 (1)
若公式(2)成立，则输出第五步中修正后的视觉导航设备支路的位置、速度；
Figure FDA0003597482770000041
若公式(3)成立，则输出第五步中修正后的地形匹配设备支路的位置、速度；
Figure FDA0003597482770000042
其中TGNSS为卫星导航支路失效时间，TP为视觉导航设备支路失效时间，TD为地形匹配设备支路失效时间，T1、T2、T3为判决门限。
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