[发明专利]一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统组合导航方法

摘要

本发明公开了一种一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统组合导航方法，属于组合导航技术领域。本发明的主要特征为首先选取六维加速度传感器作为惯性导航的惯性元件，并进行捷联解算，使其构成一体化无陀螺捷联惯导系统；其次是将该捷联惯导系统作为主要子系统，实现与GPS系统相结合的组合导航方法，选取组合导航系统的状态量，建立组合导航系统的状态方程和量测方程，采用卡尔曼滤波器完成信息融合，得到系统的最优估计，以此校正惯导系统输出的导航参数值，最终得到载体导航参数的最优解。本发明基于一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统的组合导航方法，能提高单个导航系统的精度，有效提升导航系统的综合性能。

主权项

一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统组合导航方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1)，将六维加速度传感器引入捷联惯导系统中充当惯性敏感元件，所述六维加速度传感器采用8‑UPS型并联式六维加速度传感器,根据六维加速度传感器输出的六维加速度进行相应的捷联解算，获得载体的导航位置、速度和姿态参数,详细步骤为:步骤1.1)，获取六维加速度传感器输出的以下参数：外壳{S}相对于相对惯性系{O}的线加速度OaS、角加速度OαS、角速度OωS、OωS在外壳系{S}中的投影S(OωS)以及姿态矩阵步骤1.2)，根据以下公式将步骤1.1)中得到的参数转换为以载体系{B}为运动主体的参量：aIN=aIB=ROI(aOS-αOS×RSOrBS-ωOS×(ωOS×RSOrBS))]]>B(IωB)＝B(OωB)＝S(OωS)式中，IaN，IaB分别表示导航系{N}和载体系{B}相对于绝对惯性系{I}的加速度，为绝对惯性系{I}和相对惯性系{O}之间的方位矩阵，BrS为传感器的安装位置矢量，B(IωB)表示载体系{B}相对于绝对惯性系{I}的角速度在载体系{B}中的投影，B(OωB)表示载体系{B}相对于相对惯性系{O}的角速度在载体系{B}中的投影；步骤1.3)，根据以下公式推导捷联惯导系统的惯导基本方程，并根据步骤1.2)中得到的各项参数值求解载体的导航加速度：RIN=RENRIE]]>V·N=RINaIB-(2RINωIE+RENωEN)×VN-RINωIE×(RINωIE×RENLEN)]]>式中，为导航系{N}相对于绝对惯性系{I}的方位矩阵，为导航的位置矩阵，为地球的自转矩阵，NV为导航速度，IωE为地球的自转角速度，EωN为载体的位置角速率，ELN为地球系{E}到导航系{N}的位置矢量；步骤1.4)，利用步骤1.3)中得到的载体导航加速度，通过数值积分运算分别求解出载体的导航速度和位置；步骤1.5)，根据以下导航的姿态方程求解出姿态矩阵的各元素值：RBN=RENRIEROIRBO]]>式中，为载体的姿态矩阵；步骤1.6)，求解姿态矩阵表达式，并将姿态矩阵表达式和步骤1.5)中的元素值相互对应，解算出载体的导航姿态角；步骤2)，采用GPS系统对载体的运动进行跟踪，获取载体的位置、速度和姿态导航信息；步骤3)，将步骤1)和步骤2)分别获取的导航参数值对应相减后得到的差值输入组合导航滤波器；步骤4)，组合导航滤波器对输入的差值进行相应的滤波处理，所述组合导航滤波器采用卡尔曼滤波器,得到捷联惯导系统导航参数的最优误差,所述滤波处理的详细步骤如下：步骤4.1)，建立捷联惯导系统的误差模型，推导导航位置、速度和姿态的误差微分方程，其中，位置误差方程为：δλ·=secφR+hδVE+VEtanφsecφR+hδφ-VEsecφ(R+h)2δhδφ·=1R+hδVN-VN(R+h)2δhδh·=δVU]]>式中，λ，φ，h为载体所处地球表面的经度、纬度、高度，VE，VN，VU为载体沿东、北、天向的速度，R为地球半径；速度误差方程为：δV·N=RINδaIB+RINβ×aIB-(2RINωIE+RENωEN)×δVN-(2δN(ωIE)+δN(ωEN))×VN]]>式中，β为实际导航系{N}偏离地理坐标系{G}的误差角矢量；姿态误差方程为：ϵ·=-RBNδB(ωIB)+δN(ωIN)+ϵ×N(ωIN)]]>式中，ε为姿态误差角矢量，N(IωN)为导航系{N}相对于绝对惯性系{I}的角速率在导航系{N}中的投影；步骤4.2)，选取捷联惯导系统与GPS系统组合导航系统的状态变量X为9维、状态噪声变量W为6维、量测变量Z为9维、量测噪声变量V为9维，具体参量如下：W＝[δIaBx δIaBy δIaBz δS(OωSx) δS(OωSy) δS(OωSz)]T式中，θ，γ，分别为载体的俯仰角、横滚角和航向角，IaBx、IaBy、IaBz分别为IaB在载体系三个坐标轴方向的加速度，S(OωSx)、S(OωSy)、S(OωSz)分别为S(OωS)在外壳系三个坐标轴方向的角速度，NE，NN，NU分别为GPS测量得到的载体的位置沿东、北、天方向的距离误差，NVEG、NVNG、NVUG分别为GPS测量得到的载体沿东、北、天方向的速度，θG、γG、分别为GPS测量出的载体的俯仰角、横滚角和航向角；步骤4.3)，建立捷联惯导系统与GPS系统组成的组合导航系统的状态空间模型和量测空间模型，根据步骤4.1)中的误差方程和步骤4.2)中的状态变量，分别求解模型中的状态矩阵、系统噪声矩阵、量测矩阵和量测噪声矩阵，得到组合导航系统的状态方程和量测方程；步骤4.4)，对步骤4.3)中的状态方程和量测方程进行离散化处理，得到组合导航系统的时间更新方程和量测更新方程；步骤4.5)，将输入的差值代入到步骤4.4)的更新方程中，迭代求解出组合导航系统的最优估计，并输出；步骤5)，将步骤1)得到的各导航参数值与步骤4)得到的最优误差对应相减，得到载体此时的最优位置、速度和姿态，并输出。