RU2015147538A - Определение курса для гибридного навигационного решения на основе магнитно-откалиброванных измерений - Google Patents

Claims (94)

1. Способ определения курса для гибридной навигационной системы при помощи магнитометра, включающий:

получение сигналов от множества спутников глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) в местоположении, соответствующем объекту;

получение трехмерных инерциальных измерений от одного или нескольких инерциальных датчиков, соответствующих объекту;

получение трехмерных магнитных измерений от одного или нескольких магнитометров, соответствующих объекту;

оценку состояний магнитного смещения для смещений трехмерных магнитных измерений при помощи фильтра калибровки магнитных измерений с использованием трехмерных инерциальных измерений, данных из сигналов от множества спутников ГНСС и трехмерных магнитных измерений;

расчет искусственного курса для объекта на основе состояний магнитного смещения; и

оценку основного навигационного решения для объекта при помощи основного навигационного фильтра с использованием трехмерных инерциальных измерений, данных из сигналов от множества спутников ГНСС и искусственного курса.

2. Способ по п. 1, в котором оценка состояний магнитного смещения включает оценку девяти состояний для смещений от мягкого железа и трех состояний для смещений от твердого железа.

3. Способ по п. 1, включающий:

оценку состояний для местоположения, скорости, крена, тангажа и курса указанного объекта при помощи фильтра калибровки магнитных измерений;

оценку состояний для калибровки трехмерных инерциальных измерений при помощи фильтра калибровки магнитных измерений;

оценку состояний для смещения и дрейфа часов ГНСС при помощи фильтра калибровки магнитных измерений; и

оценку состояний для смещений псевдодальностей для сигналов от спутников ГНСС при помощи фильтра калибровки магнитных измерений.

4. Способ по п. 3, включающий:

получение барометрических измерений, соответствующих объекту;

оценку состояния для смещения барометрических измерений при помощи фильтра калибровки магнитных измерений; и

оценку состояния для смещения барометрических измерений при помощи основного навигационного фильтра.

5. Способ по п. 1, в котором расчет искусственного курса включает расчет искусственного курса на основе состояний магнитного смещения, трехмерных магнитных измерений, оценок крена и тангажа объекта из основного навигационного фильтра, а также магнитного склонения на основе оценки местоположения объекта из основного навигационного фильтра.

6. Способ по п. 5, в котором расчет искусственного курса включает расчет искусственного курса, ψ_ma, как

где

представляет собой оценку крена из основного навигационного фильтра; θ представляет собой оценку тангажа из основного навигационного фильтра; ψ_dec представляет собой магнитное склонение; и

,

и

представляют собой откалиброванные магнитные измерения с компонентами х, у и z в связанной системе координат соответственно.

7. Способ по п. 6, в котором

рассчитывают как

где

представляет собой матрицу состояний магнитного смещения, соответствующую смещениям от мягкого железа;

представляет собой вектор состояния магнитного смещения, соответствующий смещениям от твердого железа; и

представляет собой трехмерные магнитные измерения.

8. Способ по п. 1, включающий:

оценку коррелированного по времени смещения искусственного курса при помощи основного навигационного фильтра.

9. Способ по п. 8, в котором оценка коррелированного по времени смещения включает оценку коррелированного по времени смещения на основе статистических данных состояний магнитного смещения и статистических данных магнитного склонения на основе статистических данных оценки местоположения объекта из основного навигационного фильтра.

10. Способ по п. 8, включающий:

оценку состояний для калибровки трехмерных инерциальных измерений при помощи основного навигационного фильтра;

оценку состояний для смещения и дрейфа часов ГНСС при помощи основного навигационного фильтра; и

оценку состояний для смещений псевдодальностей для сигналов от спутников ГНСС при помощи основного навигационного фильтра;

при этом оценка основного навигационного решения включает оценку состояний для местоположения, скорости, крена, тангажа и курса указанного объекта.

11. Способ по п. 1, включающий:

оценку некоррелированного шума искусственного курса на основе статистических данных шума измерений магнитометра и статистических данных влияния ошибки пространственного положения на искусственный курс.

12. Способ по п. 1, включающий:

оценку множества субрешений для основного навигационного решения при помощи множества субфильтров с использованием разделения решений;

расчет ковариации курса для каждого из множества субрешений;

расчет ковариации курса для основного навигационного решения;

расчет ковариации курса для фильтра калибровки магнитных измерений;

аппроксимацию множества ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений, на основе ковариации курса для основного навигационного решения, ковариации курса для каждого из множества субрешений и ковариации курса для фильтра калибровки магнитных измерений; и

определение предела защиты, который ограничивает ошибку в курсе основного навигационного решения, на основе соответствующих расхождений между ковариацией

курса для фильтра калибровки магнитных измерений и каждой из ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений.

13. Способ по п. 12, в котором аппроксимация множества ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений, включает аппроксимацию ковариаций курса n-го субрешения, Cov(ψ)_n,3-D, исходя из

где γ_ovrb представляет собой коэффициент переограничения, который больше или равен единице; Cov(ψ)_0,3-D представляет собой ковариацию курса фильтра калибровки магнитных измерений; Cov(ψ)_0,DMHA представляет собой ковариацию курса основного навигационного фильтра; и Cov(ψ)_n,DМНA представляет собой ковариацию курса n-го субрешения для основного навигационного фильтра.

14. Навигационная система для объекта, содержащая:

одно или несколько обрабатывающих устройств;

один или несколько приемников глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), связанных с одним или несколькими обрабатывающими устройствами, при этом один или несколько приемников ГНСС сконфигурированы для получения измерений псевдодальностей, соответствующих местоположению указанного объекта;

один или несколько инерциальных измерительных блоков (ИИБ), связанных с одним или несколькими обрабатывающими устройствами, при этом один или несколько ИИБ сконфигурированы для получения трехмерных инерциальных измерений, соответствующих указанному объекту;

один или несколько магнитометров, связанных с одним или несколькими обрабатывающими устройствами, при этом один или несколько магнитометров сконфигурированы для получения трехмерных магнитных измерений магнитного поля в местоположении указанного объекта; и

одно или несколько запоминающих устройств, связанных с одним или несколькими обрабатывающими устройствами и содержащих инструкции, которые, при выполнении одним или несколькими обрабатывающими устройствами, вызывают выполнение одним или несколькими обрабатывающими устройствами следующих действий:

оценка состояний магнитного смещения для смещении трехмерных магнитных измерений при помощи фильтра калибровки магнитных измерений с использованием трехмерных инерциальных измерений для стадии прогноза, а также данных из одного или нескольких приемников ГНСС и трехмерных магнитных измерений в качестве вектора измерения;

расчет искусственного курса для объекта на основе состояний магнитного смещения; и

оценка основного навигационного решения для объекта при помощи основного навигационного фильтра с использованием трехмерных инерциальных измерений для стадии прогноза, а также данных из одного или нескольких приемников ГНСС и искусственного курса в качестве вектора измерения.

15. Навигационная система по п. 14, в которой оценка состояний магнитного смещения включает оценку девяти состояний для смещений от мягкого железа и трех состояний для смещений от твердого железа.

16. Навигационная система по п. 15, в которой расчет искусственного курса включает расчет искусственного курса, ψ_ma, как

где

представляет собой оценку крена объекта из основного навигационного фильтра; θ представляет собой оценку тангажа объекта из основного навигационного фильтра; ψ_dec представляет собой магнитное склонение на основе оценки местоположения из основного навигационного фильтра; и

рассчитано как

где

представляет собой матрицу состояний магнитного смещения, соответствующую смещениям от мягкого железа;

представляет собой вектор состояния магнитного смещения, соответствующий смещениям от твердого железа; и

представляет собой трехмерные магнитные измерения.

17. Навигационная система по п. 14, в которой инструкции вызывают выполнение одним или несколькими обрабатывающими устройствами следующих действий:

оценка коррелированного по времени смещения искусственного курса при помощи основного навигационного фильтра и на основе статистических данных состояний

магнитного смещения и статистических данных магнитного склонения на основе статистических данных оценки местоположения указанного объекта из основного навигационного фильтра; и

оценка некоррелированного шума искусственного курса на основе статистических данных шума измерений магнитометра и статистических данных влияния ошибки пространственного положения на искусственный курс.

18. Навигационная система по п. 17, в которой инструкции вызывают выполнение одним или несколькими обрабатывающими устройствами следующих действий:

оценка состояний для калибровки трехмерных инерциальных измерений при помощи основного навигационного фильтра;

оценка состояний для смещения и дрейфа часов ГНСС при помощи основного навигационного фильтра; и

оценка состояний для смещений псевдодальностей сигналов от спутников ГНСС при помощи основного навигационного фильтра;

при этом оценка основного навигационного решения включает оценку состояний для местоположения, скорости, крена, тангажа и курса указанного объекта.

19. Навигационная система по п. 14, в которой инструкции вызывают выполнение одним или несколькими обрабатывающими устройствами следующих действий:

оценка множества субрешений для основного навигационного решения при помощи множества субфильтров с использованием разделения решений;

расчет ковариации курса для каждого из множества субрешений;

расчет ковариации курса для основного навигационного решения;

расчет ковариации курса для фильтра калибровки магнитных измерений;

аппроксимация множества ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений, на основе отношения между ковариацией курса для основного навигационного решения и ковариацией курса для каждого из множества субрешений, приблизительно равного отношению между ковариацией курса для фильтра калибровки магнитных измерений и каждой из ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений; и

определение предела защиты, который ограничивает ошибку в курсе основного навигационного решения, на основе соответствующих расхождений между ковариацией

курса для фильтра калибровки магнитных измерений и каждой из ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений.

20. Машиночитаемый носитель, содержащий инструкции, которые, при выполнении одним или несколькими обрабатывающими устройствами, вызывают выполнение одним или несколькими обрабатывающими устройствами следующих действий:

оценка состояний магнитного смещения для смещений трехмерных магнитных измерений при помощи фильтра калибровки магнитных измерений с использованием трехмерных инерциальных измерений для стадии прогноза, а также данных из сигналов от нескольких спутников глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и трехмерных магнитных измерений в качестве вектора измерения; при этом оценка состояний магнитного смещения включает оценку девяти состояний для смещений от мягкого железа и трех состояний для смещений от твердого железа;

расчет искусственного курса, ψ_ma, для объекта как

где

представляет собой оценку крена объекта из основного навигационного фильтра; θ представляет собой оценку тангажа объекта из основного навигационного фильтра; ψ_dec представляет собой магнитное склонение на основе оценки местоположения из основного навигационного фильтра; и

рассчитывают как

где

представляет собой матрицу состояний магнитного смещения, соответствующую смещениям от мягкого железа;

представляет собой вектор состояния магнитного смещения, соответствующий смещениям от твердого железа; и

представляет собой трехмерные магнитные измерения;

оценка коррелированного по времени смещения искусственного курса при помощи основного навигационного фильтра и на основе статистических данных состояний магнитного смещения и статистических данных магнитного склонения на основе статистических данных оценки местоположения указанного объекта из основного навигационного фильтра;

оценка некоррелированного шума искусственного курса на основе статистических данных шума измерений магнитометра и статистических данных влияния ошибки пространственного положения на искусственный курс;

оценка состояний для калибровки трехмерных инерциальных измерений при помощи основного навигационного фильтра;

оценка состояний для смещения и дрейфа часов ГНСС при помощи основного навигационного фильтра; и

оценка состояний для смещений псевдодальностей сигналов от спутников ГНСС при помощи основного навигационного фильтра;

оценка состояний для местоположения, скорости, крена, тангажа и курса указанного объекта;

оценка множества субрешений для основного навигационного решения при помощи множества субфильтров с использованием разделения решений;

расчет ковариации курса для каждого из множества субрешений;

расчет ковариации курса для основного навигационного решения;

расчет ковариации курса для фильтра калибровки магнитных измерений;

аппроксимация множества ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений, на основе отношения между ковариацией курса для основного навигационного решения и ковариацией курса для каждого из множества субрешений, приблизительно равного отношению между ковариацией курса для фильтра калибровки магнитных измерений и каждой из ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений; и

определение предела защиты, который ограничивает ошибку состояния для курса указанного объекта, на основе соответствующих расхождений между ковариацией курса для фильтра калибровки магнитных измерений и каждой из ковариаций курса субрешений, соответствующих фильтру калибровки магнитных измерений.