一種基於sins/gps的組合導航方法
2023-07-22 08:43:31
專利名稱：一種基於sins/gps的組合導航方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的捷聯慣性導航系統(SINS)和全球定位系統(GPS)的組合導航方法。此部分屬於航空應用領域中無人機自駕儀上的導航計算模塊，可應用於各種無人機導航系統中。
背景技術：
捷聯慣導系統(SINS)能夠連續實時地提供位置、速度、姿態等導航信息，且不受任何外界信息的幹擾，是一種完全自主式的導航系統。但導航誤差隨時間積累的缺點使捷聯慣導系統不能夠單獨完成長時間高精度的導航任務，需要其他輔助系統從旁協助。全球定位系統(GPS)則具有定位精度高，導航誤差不隨時間積累等優點，但是數據更新頻率低、易受外界環境的幹擾。因而SINS/GPS組合導航系統應運而生，目前已廣泛應用於軍事民用等的航空領域中。 組合導航系統中，實際系統總是存在不同程度的非線性，雖然有些系統可以近似看作線性系統，但是大部分系統難以用線性微分或差分方程描述。此外，實際系統中通常還存在高斯或非高斯隨機噪聲幹擾。非線性隨機動態系統廣泛存在於工程實踐，如飛機和艦船的慣性導航系統、組合導航系統等都屬於這類系統。在這類非線性隨機動態系統中，如何進行有效甚至最優狀態估計尤為重要，這就需要採用非線性濾波技術。然而，每種非線性濾波方法都有其各自的局限性，因此僅依靠濾波技術在惡劣的飛行條件下不能得到準確的導航參數估計。對於慣性導航系統，建立準確的誤差方程是採用濾波技術進行對準和狀態誤差估計的基礎，若系統模型存在誤差，則會影響濾波精度，甚至使濾波發散。通常採用的線性誤差方程都是在假定平臺失準角(即姿態誤差角)為小量的條件下導出的，當失準角較大時，系統誤差呈現較嚴重的非線性特性，這些線性方程已不能準確描述捷聯慣導系統的誤差傳播特性，如果繼續使用可能致使濾波誤差較大甚至發散，因此，需要尋找更為精確的非線性誤差方程來代替。
發明內容
在方位誤差角為大失準角時，組合導航系統的線性模型已經無法描述實際系統的特性，不能滿足導航精度的要求。擴展卡爾曼濾波在運用過程中往往採用對非線性模型進行泰勒級數展開近似真實系統，這樣做不可避免地會產生截斷誤差，加之計算過程中積分誤差的積累，很容易造成擴展卡爾曼濾波的不穩定甚至發散。基於以上考慮，本發明首先在方位誤差角為大失準角的情況下推導了 SINS/GPS組合導航系統的非線性模型，然後應用PI控制器和擴展卡爾曼濾波相結合的方法進行數據融合，得到組合導航參數的最優估計。本發明的目的是通過下述技術方案實現的。步驟一、使用PI (比例積分)控制器補償角速率ω。
第一種情況飛行器的航向角誤差為yawerror = yaw_SINS X yaw_GPS其中，yaw—SINS= [C11 C21 0]T ；yaw_GPS = [cog—x cog—y0]T，cog 為 GPS 給出的航向角。重力加速度g= acc-ω XV_GPS其中，VGPS為GPS給出的飛行器速度；ω為角速率，acc為加速度。飛行器的橫滾角和俯仰角誤差為rollpitcherror = g—SINSXg其中，g_SINS= [C31 C32 C33It總誤差totalerror = ω Yyawerror+ ω EProI lpitcherror其中，0^和ωκρ分別為航向角誤差，橫滾俯仰角誤差的權重係數。第二種情況當GPS數據沒有給出的時刻，yawerror = O則總誤差 totalerror = ω EProI lpitcherror比例(P)補償oPMpOTtim= Kptotalerror積分(I)補償:CJlntegral= ω Jntegra^Kjtotalerror Δ t其中，Kp為比例係數^為積分係數；Λ t為採樣間隔。對角速率ω進行PI補償，得到補償後的角速率為ω +. =qd +. + ω τ + ,
Lvv _,jcorrectionProportion Integral將補償後的角速率ω 作為SINS的輸入進行運算，得到姿態角(航向角V，俯仰角Θ和橫滾角Y )，速度(東向Vx，北向Vt，天向Vz)，位置(緯度L，經度λ，高度h)。步驟二、在方位誤差角為大失準角時，推導出姿態非線性誤差方程、速度非線性誤差方程以及位置誤差方程。從中選取狀態變量，建立組合導航系統的非線性誤差模型。姿態非線性誤差方程為
.γfγ ^ γ、φχ = —(I - cos φζ)-----sin φ, o)je cos L + —— ~ + φ mie sin Z +-— tan L
Rm+hR11+h J -\R +h J
IVr— —~^ + —~τ Sh-sTEnx
R,r, +f> ■ (R, +hY
. Vr / V ) f V )φ =- sin Φ.-:——+ (I - cos (t). I CO,. cos L - ------ - φ,. ω . sm /. -I----- tan I. \ - corJ sin I. dl.
'Rm+k' IRn+h) ΛRnJ
權利要求
1.一種基於SINS/GPS的組合導航方法，其特徵在於包括如下步驟 步驟一、使用PI控制器補償角速率ω ； 將飛行器的姿態矩陣記為q
2.根據權利要求I所述的一種基於SINS/GPS的組合導航方法，其特徵在於在步驟I中，當GPS數據沒有給出的非組合時刻，yawerror = O,總誤差totalerror =ω RProllpitcherror0
3.根據權利要求I所述的一種基於SINS/GPS的組合導航方法，其特徵在於整個導航解算過程中，PI控制器對角速率的補償頻率與SINS的更新頻率相同，且大於擴展卡爾曼濾波對角速率的修正頻率。
4.根據權利要求I所述的一種基於SINS/GPS的組合導航方法，其特徵在於在SINS/GPS組合時刻，角速率的修正在擴展卡爾曼濾波方法對陀螺進行誤差補償的基礎上加入PI控制器對角速率再次進行補償；而在非組合時刻，陀螺輸出的角速率值由PI控制器進行修正。
全文摘要
本發明涉及一種新型的捷聯慣性導航系統(SINS)和全球定位系統(GPS)的組合導航方法。此部分屬於航空應用領域中無人機自駕儀上的導航計算模塊，可應用於各種無人機導航系統中。本發明首先在方位誤差角為大失準角的情況下推導了多階SINS/GPS組合導航系統的非線性模型，在SINS解算之前引入PI控制器保證每一時刻進行姿態計算的角速率都是當前最優值。在SINS/GPS組合時刻，角速率的修正是在擴展卡爾曼濾波算法對陀螺進行了一定的誤差補償的基礎上加入PI控制器對角速率進行再次精確補償；而在非組合時刻，陀螺輸出的角速率值仍可以由PI控制器進行修正，得到組合導航參數的最優估計。
文檔編號G01S19/49GK102830414SQ20121024335
公開日2012年12月19日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者耿慶波, 李楠, 李保奎, 楊淑媛, 費慶 申請人:北京理工大學