專利名稱：一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，屬于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
捷聯(lián)慣導(dǎo)由于不需要任何外界的參考信息，也不向外界發(fā)射任何信息，因而捷聯(lián)慣導(dǎo)是一種完全自主的導(dǎo)航方式，它具有不依賴外界信息，隱蔽性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，且具備多功能參數(shù)輸出；與平臺(tái)慣導(dǎo)相比，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不需要精密的穩(wěn)定平臺(tái)，減少了硬件結(jié)構(gòu)，因而成本大大降低。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)存在誤差隨時(shí)間迅速積累的問(wèn)題，導(dǎo)航精度隨時(shí)間而發(fā)散，在精度要求較高的情況下，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不能單獨(dú)長(zhǎng)時(shí)間工作，必須不斷以其他信息加以修正?！?br> 初始對(duì)準(zhǔn)對(duì)于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，初始對(duì)準(zhǔn)就是確定初始時(shí)刻的姿態(tài)矩陣，使數(shù)學(xué)平臺(tái)坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系重合。慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)按對(duì)準(zhǔn)的階段分可分為粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)，按對(duì)準(zhǔn)軸系分可分為水平對(duì)準(zhǔn)和方位對(duì)準(zhǔn)，按基座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分可分為靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)，按對(duì)外部信息的依賴程度分可分為主動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)和非主動(dòng)式對(duì)準(zhǔn)。初始對(duì)準(zhǔn)的精確性和快速性是慣導(dǎo)系統(tǒng)的兩項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。傳遞對(duì)準(zhǔn)當(dāng)系統(tǒng)中存在多個(gè)慣組時(shí)，如果慣組之間的精度存在較大的差別，可以使用精度較高的慣組去校正精度較低的慣組，這種技術(shù)即傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。傳遞對(duì)準(zhǔn)實(shí)際上是一種動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)，它利用精度較高的主慣導(dǎo)系統(tǒng)(MINS)來(lái)校準(zhǔn)未對(duì)準(zhǔn)的子慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)。傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的提出最初是為了應(yīng)用于機(jī)載導(dǎo)彈的快速對(duì)準(zhǔn)，后來(lái)又引入到艦載設(shè)備初始對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于機(jī)載、艦載及陸地戰(zhàn)車的導(dǎo)彈初始對(duì)準(zhǔn)，艦載機(jī)起飛iu的對(duì)準(zhǔn)等等。協(xié)同概念如果慣組之間存在直接相對(duì)觀測(cè)或者間接相對(duì)觀測(cè)，那么通過(guò)一定的信息交換，就可以實(shí)現(xiàn)相互之間導(dǎo)航資源的共享，從而獲得比獨(dú)自導(dǎo)航更優(yōu)的性能，這種導(dǎo)航方式稱為協(xié)同導(dǎo)航。將協(xié)同導(dǎo)航的概念引入多慣組系統(tǒng)中，當(dāng)慣組之間存在相互測(cè)量信息或者多慣組的測(cè)量信息有一定的聯(lián)系的時(shí)候，可以利用相互導(dǎo)航資源的共享來(lái)提高單獨(dú)導(dǎo)航性能。Kalman濾波技術(shù)在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，Kalman濾波器根據(jù)外部參考信息,對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行校正。Kalman濾波是從與被提取信號(hào)有關(guān)的觀測(cè)量中，通過(guò)算法估計(jì)出所需信號(hào)的一種濾波算法，是一種遞推線性最小方差估計(jì)。其中被估信號(hào)是由白噪聲激勵(lì)所引起的隨機(jī)響應(yīng)，估計(jì)過(guò)程中利用了系統(tǒng)的狀態(tài)方程、量測(cè)方程、白噪聲激勵(lì)的統(tǒng)計(jì)特性和量測(cè)誤差的統(tǒng)計(jì)特性。張立川等在《基于雙水聽器的多自主水下航行器協(xié)同導(dǎo)航方法》中提到，提出了一種基于雙水聽器信號(hào)的MAUVS協(xié)同定位方法在主從式結(jié)構(gòu)中，主AUV內(nèi)部裝備高精度導(dǎo)航設(shè)備，從AUV內(nèi)部裝備低精度導(dǎo)航設(shè)備，外部均裝備水聲裝置測(cè)量相對(duì)位置關(guān)系，從AUV通過(guò)水聲測(cè)量確定出相對(duì)距離和相對(duì)方位角，再輔以主AUV精確位置，得到從AUV精確位置。(參考文獻(xiàn)[張立川，徐德民，劉明雍.基于雙水聽器的多自主水下航行器協(xié)同導(dǎo)航方法[J].西安西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院.2011])，但是存在的缺點(diǎn)是1、要求主慣組比從慣組的精度高；2、同等精度慣組不適用該方案進(jìn)行協(xié)同導(dǎo)航。還有一種基于數(shù)據(jù)鏈無(wú)線電測(cè)距功能實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)彈協(xié)同定位的方法?？紤]智能導(dǎo)彈編隊(duì)由領(lǐng)彈和攻擊彈組成，給出了智能導(dǎo)彈編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)模式和基于數(shù)據(jù)鏈的無(wú)線電測(cè)距方法。這種方法將領(lǐng)彈與攻擊彈之間的相對(duì)距離信息和攻擊彈自身的慣導(dǎo)信息相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了攻擊彈的精確定位。(參考文獻(xiàn)[王小剛，郭繼峰，崔乃剛.基于數(shù)據(jù)鏈的智能導(dǎo)彈協(xié)同定位方法[J].哈爾濱哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，2009])但是存在的缺點(diǎn)是1、要求領(lǐng)彈慣組具有較高的精度，領(lǐng)彈的慣組精度直接影響定位的精度；2、領(lǐng)彈和從彈慣組有相同精度的時(shí)候，該方案不適用；3、既定數(shù)目領(lǐng)彈執(zhí)行協(xié)同搜索任務(wù)時(shí)，在考慮最大搜索范圍的同時(shí)，也要考慮到搜索編隊(duì)構(gòu)型對(duì)協(xié)同定位精度的影響；4、該方法也受領(lǐng)彈數(shù)目和領(lǐng)彈與攻擊彈之間隊(duì)形幾何條件約束。傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)通常要求母慣組的精度一般比子慣組的精度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)兩個(gè)同等精度的慣組同時(shí)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)時(shí)，傳統(tǒng)意義上的傳遞對(duì)準(zhǔn)方案并不適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，本發(fā)明將協(xié)同概念引入初始對(duì)準(zhǔn)中，建立多慣組間不同方面的約束關(guān)系，得到了適用于同等精度條件下多慣組協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方案。本發(fā)明的一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一、建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，慣組A和慣組B利用各自的慣性測(cè)量單元測(cè)得載體的加速度和角速度信息，并進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航解算，得到慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)信息；步驟二、基于單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，建立多慣組協(xié)同對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)方程；步驟三、建立多慣組系統(tǒng)的約束關(guān)系；步驟四建立基于慣組信息約束的多慣組協(xié)同對(duì)準(zhǔn)的量測(cè)方程；步驟五、建立離散型卡爾曼濾波器的遞推方程，進(jìn)行Kalman濾波解算，得到子慣導(dǎo)導(dǎo)航參數(shù)修正信息；步驟六、將慣組A和慣組B的導(dǎo)航參數(shù)修正信息反饋到導(dǎo)航解算中，進(jìn)行慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)的修正和對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的仿真結(jié)果表明，利用各慣組漂移誤差間的約束關(guān)系建立的協(xié)同對(duì)準(zhǔn)方案可以有效地提高多慣組的對(duì)準(zhǔn)精度，能同時(shí)提升多慣組器件誤差估計(jì)的精度和速度；在引入姿態(tài)角約束信息后，對(duì)準(zhǔn)性能及器件誤差估計(jì)的改善更為顯著。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是協(xié)同對(duì)準(zhǔn)方案I與無(wú)協(xié)同對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)誤差仿真結(jié)果的比較；圖3是協(xié)同對(duì)準(zhǔn)方案I與協(xié)對(duì)準(zhǔn)方案2，對(duì)準(zhǔn)誤差仿真結(jié)果比較；
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，針對(duì)由兩個(gè)慣組構(gòu)成的系統(tǒng)，兩個(gè)慣組分別記為慣組A和慣組B，方法流程如圖I所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟一、建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，慣組A和慣組B利用各自的慣性測(cè)量單元測(cè)得載體的加速度和角速度信息，并進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航的解算，得到慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)信肩、O建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，包括狀態(tài)方程和量測(cè)方程，具體如下I、根據(jù)對(duì)INS (慣性導(dǎo)航系統(tǒng))誤差模型的分析，建立對(duì)準(zhǔn)濾波器狀態(tài)方程
權(quán)利要求
1.一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，針對(duì)由兩個(gè)慣組構(gòu)成的系統(tǒng)，兩個(gè)慣組分別記為慣組A和慣組B，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟 步驟一、建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，慣組A和慣組B利用各自的慣性測(cè)量單元測(cè)得載體的加速度和角速度信息，并進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航解算，得到慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)信息；建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，包括狀態(tài)方程和量測(cè)方程，具體如下 <1>建立對(duì)準(zhǔn)濾波器狀態(tài)方程夕(0 =廠(/)A,(/)+r,'(/)f,K(/) 其中，x(t) e R15為狀態(tài)變量，F(xiàn)(t) e R15x15為系統(tǒng)誤差矩陣，根據(jù)誤差模型得到，W(t)為系統(tǒng)噪聲向量，G(t)為系統(tǒng)噪聲矩陣； 狀態(tài)變量為δθχ, SOy, Sh, Svx, , δνζ, ψχ，ψ、, ψζ, εχ, ε)，&, Vx, Vji, Vz 其中導(dǎo)航坐標(biāo)系χ、y、ζ分別表示東向、北向、天向，ψχ，￥y, ψζ為慣導(dǎo)系統(tǒng)東向、北向、天向的平臺(tái)誤差角，SVx，5Vy, 3^為慣導(dǎo)系統(tǒng)東向、北向、天向的速度誤差，δ θ χ, δ Θ y, δ h為慣導(dǎo)系統(tǒng)向東、北向、天向的位置誤差，ε χ, ε y, εζ為陀螺儀東向、北向、天向的隨機(jī)漂移，為東向、北向、天向的加速度計(jì)偏置；初始對(duì)準(zhǔn)的系統(tǒng)誤差矩陣為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟六中所述的導(dǎo)航參數(shù)包括平臺(tái)誤差角、速度誤差、位置誤差、陀螺隨機(jī)漂移、加速度計(jì)偏置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多慣組信息約束的協(xié)同初始對(duì)準(zhǔn)方法，步驟一、建立單慣組對(duì)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型，慣組A和慣組B利用各自的慣性測(cè)量單元測(cè)得載體的加速度和角速度信息，并進(jìn)行捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航解算，得到慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)信息；步驟二、建立多慣組協(xié)同對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)方程；步驟三、建立多慣組系統(tǒng)的約束關(guān)系；步驟四建立基于慣組信息約束的多慣組協(xié)同對(duì)準(zhǔn)的量測(cè)方程；步驟五、建立離散型卡爾曼濾波器的遞推方程，進(jìn)行Kalman濾波解算，得到子慣導(dǎo)導(dǎo)航參數(shù)修正信息；步驟六、將導(dǎo)航參數(shù)修正信息反饋到導(dǎo)航解算中，進(jìn)行慣組A和慣組B導(dǎo)航參數(shù)的修正和對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明提高多慣組的對(duì)準(zhǔn)精度，能同時(shí)提升多慣組器件誤差估計(jì)的精度和速度。
文檔編號(hào)G01C21/16GK102901514SQ201210361180
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者蘆佳振, 鄔戰(zhàn)軍, 張春熹, 李保國(guó), 黃慶芳 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)