CN112729274B - 一种组合导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种组合导航系统及方法，包括状态方程与量测方程确定模块、滤波器、速度修正判断模块和速度修正模块。本发明利用飞行过程中红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量与惯性导航系统进行组合，实时通过对载体的航迹进行判断实现对惯导速度的准确修正，提高系统的导航整体性能。

Description

一种组合导航系统及方法
技术领域
本发明涉及一种组合导航系统及方法，属于惯性导航技术领域。
背景技术
惯性导航系统精度随时间发散，实际应用中常采用卫星导航接收机输出的位置、速度进行组合导航，但卫星导航接收机易收到干扰，无法满足复杂电磁环境下的组合导航精度。无人飞行器利用红外成像设备或无线电设备可以不依赖卫星导航接收机给出飞行器飞行的合速度，但是无法给出无人飞行器载体系下准确的纵向和侧向速度，因此无法直接利用合速度对惯性导航系统的速度进行修正，难以充分利用外部导航辅助信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种基于合速度、精度高的组合导航系统及方法。
本发明的技术解决方案：一种组合导航系统，包括状态方程与量测方程确定模块、滤波器、速度修正判断模块和速度修正模块；
状态方程与量测方程确定模块根据红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程；
滤波器根据状态方程与量测方程确定模块建立的滤波器状态方程与量测方程，进行滤波处理，得到载体速度误差的估计值；
速度修正判断模块对滤波器每次滤波得到的载体速度误差的估计值进行判断，判断是否满足公式max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T，若满足，则触发速度修正模块，其中θi为第i秒惯导解算得到的载体的方位角，T为速度修正判决门限；
速度修正模块利用满足速度修正判断模块判断公式的载体速度误差的估计值，对惯性导航的速度误差进行修正。
一种组合导航方法，通过以下步骤实现：
第一步，以红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程，
滤波器状态向量如公式(1)所示，
X＝[φN,φE,δVN,δVE]T (1)
其中φN、φE为惯导解算得到的北向、东向的平台失准角，δVN,δVE为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的速度误差；
量测向量如公式(3)所示，
Z＝[VA,m-VA]T (3)
其中VA为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的载体合速度，VA,m为红外成像设备或无线电设备提供的导航系下X轴、Z轴的合速度；
第二步，利用第一步建立的滤波器状态方程与量测方程，进行Kalman滤波处理，得到载体速度误差的估计值；
第三步，对第二步Kalman滤波处理后得到的速度误差的估计值进行判决，若满足判决公式(5)，则进行第四步，若不满足则返回第一步，
max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T (5)
其中，θi为第i秒惯导解算得到的载体的方位角，T为速度修正判决门限；
第四步，对惯性导航的速度误差进行修正。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明利用飞行过程中红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量与惯性导航系统进行组合，实时通过对载体的航迹进行判断实现对惯导速度的准确修正，提高系统的导航整体性能；
(2)本发明以红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，对纯惯性导航的速度误差与姿态误差进行卡尔曼滤波估计，并实时记录载体的航迹变化，确定了满足速度修正的条件，在满足修正条件下，进行速度误差修正，提高速度精度。
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。
为了充分利用红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息对惯性导航系统的位置、速度进行修正。
本发明如图1所示，提供一种基于合速度辅助的组合导航系统，包括状态方程与量测方程确定模块、滤波器、速度修正判断模块和速度修正模块。
状态方程与量测方程确定模块根据红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程。
滤波器根据状态方程与量测方程确定模块建立的滤波器状态方程与量测方程，进行Kalman滤波处理，得到载体速度误差的估计值。
速度修正判断模块对滤波器每次滤波得到的载体速度误差的估计值进行判断，判断是否满足公式max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T，若满足，则触发速度修正模块，若不满足则触发状态方程与量测方程确定模块。
速度修正模块利用满足速度修正判断模块判断公式的载体速度误差的估计值，对惯性导航的速度误差进行修正。
本发明提出了一种基于合速度辅助的组合导航方法，通过以下步骤实现：
第一步，以红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程。
滤波器状态向量如公式(1)所示，
X＝[φN,φE,δVN,δVE]T (1)
其中φN、φE为惯导解算得到的北向、东向的平台失准角，δVN,δVE为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的速度误差。
状态方程转移矩阵Φ如公式(2)所示，
Φ＝I+F(t)·Δt (2)
Figure BDA0002829110190000041
Figure BDA0002829110190000042
Figure BDA0002829110190000043
Figure BDA0002829110190000044
Figure BDA0002829110190000045
其中VN、VU、VE为惯导解算得到的导航系下X轴、Y轴、Z轴的速度，RM为子午圈半径、RN为卯酉圈半径，wie为地球自转角速度，L惯导解算得到的载体纬度，H为惯导解算得到的载体的高度，fU为惯导解算得到的导航系下Y轴的比力信息。
量测向量如公式(3)所示，
Z＝[VA,m-VA]T (3)
其中VA为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的载体合速度，VA,m为红外成像设备或无线电设备提供的导航系下X轴、Z轴的合速度。
量测方程转移矩阵H1×4如公式(4)所示，
Figure BDA0002829110190000051
其中VINS_N、VINS_E为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的速度。
第二步，利用第一步建立的滤波器状态方程与量测方程，进行Kalman滤波处理，得到载体速度误差的估计值。
本步骤Kalman滤波为本领域公知技术，根据以下公式确定。
(1)状态一步预测：
Figure BDA0002829110190000052
(2)状态估计：
Figure BDA0002829110190000053
(3)滤波增益：
Figure BDA0002829110190000054
(4)一步预测均方误差：
Figure BDA0002829110190000055
(5)估计均方误差：
Figure BDA0002829110190000056
第三步，对第二步Kalman滤波处理后得到的速度误差的估计值进行判决，若满足判决公式(5)，则进行第四步，若不满足则返回第一步。
max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T (5)
其中，θi为第i秒惯导解算得到的载体的方位角，T为速度修正判决门限。
速度修正判决门限T的确定准则，根据惯性导航系统陀螺精度确定，若惯性导航系统陀螺精度高，判决严格，若陀螺精度低，判决标准低一些；速度修正判决门限T值越大，判决越严格，设置不小于90°。优选，若惯性导航系统陀螺精度优于0.1°/h，则速度修正判决门限T设置不小于120°，若陀螺精度低于0.1°/h，则速度修正判决门限T设置不小于90°。
本步骤中，在每次Kalman滤波完成后，对速度误差的估计值进行判决，若满足公式(5)则认为速度误差估计准确，可以用于误差修正，若不满足公式(5)，则返回第一步中，进行数据迭代后重新建立滤波器状态方程与量测方程。
第四步，对惯性导航的速度误差进行修正。
采用公式组(6)对速度误差进行修正，返回第一步，直至飞行结束。
Figure BDA0002829110190000061
其中，VINS_N0、VINS_E0为修正前惯性导航系统在导航系下X轴、Z轴的速度，VINS_N1、VINS_E1为修正后惯性导航系统在导航系下X轴、Z轴的速度，δVN,δVE为第三步满足判决公式(5)的速度误差的估计值。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种组合导航系统，其特征在于：包括状态方程与量测方程确定模块、滤波器、速度修正判断模块和速度修正模块；
所述的状态方程与量测方程确定模块根据红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程；
所述的滤波器根据状态方程与量测方程确定模块建立的滤波器状态方程与量测方程，进行滤波处理，得到载体速度误差的估计值；
所述的速度修正判断模块对滤波器每次滤波得到的载体速度误差的估计值进行判断，判断是否满足公式max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T，若满足，则触发速度修正模块，其中θi为第i秒惯导解算得到的载体的方位角，T为速度修正判决门限，速度修正判决门限T的确定准则，根据惯性导航系统陀螺精度确定，惯性导航系统陀螺精度越高，速度修正判决门限T值越大，设置不小于90°；
所述的速度修正模块利用满足速度修正判断模块判断公式的载体速度误差的估计值，对惯性导航的速度误差进行修正。
2.根据权利要求1所述的一种组合导航系统，其特征在于：所述的状态方程与量测方程确定模块建立如公式(3)所示的量测向量，
Z＝[VA,m-VA]T (3)
其中VA为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的载体合速度，VA,m为红外成像设备或无线电设备提供的导航系下X轴、Z轴的合速度。
3.根据权利要求1所述的一种组合导航系统，其特征在于：所述的速度修正判决门限T设置，若惯性导航系统陀螺精度优于0.1°/h，则不小于120°，若陀螺精度低于0.1°/h，则不小于90°。
4.根据权利要求1所述的一种组合导航系统，其特征在于：所述的速度修正判断模块若不满足，则触发状态方程与量测方程确定模块。
5.一种组合导航方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
第一步，以红外成像设备或无线电设备提供的合速度信息作为观测量，建立滤波器状态方程与量测方程，
滤波器状态向量如公式(1)所示，
X＝[φN,φE,δVN,δVE]T (1)
其中φN、φE为惯导解算得到的北向、东向的平台失准角，δVN,δVE为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的速度误差；
量测向量如公式(3)所示，
Z＝[VA,m-VA]T (3)
其中VA为惯导解算得到的导航系下X轴、Z轴的载体合速度，VA,m为红外成像设备或无线电设备提供的导航系下X轴、Z轴的合速度；
第二步，利用第一步建立的滤波器状态方程与量测方程，进行Kalman滤波处理，得到载体速度误差的估计值；
第三步，对第二步Kalman滤波处理后得到的速度误差的估计值进行判决，若满足判决公式(5)，则进行第四步，若不满足则返回第一步，
max({θ0,θ1,…θi,…θm})-min({θ0,θ1,…θi,…θm})≥T (5)
其中，θi为第i秒惯导解算得到的载体的方位角，T为速度修正判决门限，速度修正判决门限T的确定准则，根据惯性导航系统陀螺精度确定，惯性导航系统陀螺精度越高，速度修正判决门限T值越大，设置不小于90°；
第四步，对惯性导航的速度误差进行修正。
6.根据权利要求5所述的一种组合导航方法，其特征在于：所述第三步速度修正判决门限T设置，若惯性导航系统陀螺精度优于0.1°/h，则不小于120°，若陀螺精度低于0.1°/h，则不小于90°。
7.根据权利要求5所述的一种组合导航方法，其特征在于：所述第三步在每次Kalman滤波完成后，对速度误差的估计值进行判决，若不满足公式(5)，则返回第一步中，进行数据迭代后重新建立滤波器状态方程与量测方程。
8.根据权利要求5所述的一种组合导航方法，其特征在于：所述第四步采用公式组(6)对速度误差进行修正，返回第一步，直至飞行结束，
Figure FDA0003830263510000031
其中，VINS_N0、VINS_E0为修正前惯性导航系统在导航系下X轴、Z轴的速度，VINS_N1、VINS_E1为修正后惯性导航系统在导航系下X轴、Z轴的速度，δVN,δVE为第三步满足判决公式(5)的速度误差的估计值。
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