一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法

2023-12-10 14:08:52

一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法。本方法利用在運動過程中車體非完整性約束，通過平滑慣性自主導航系統輸出的側向和垂向速度累積，構建卡爾曼濾波觀測方程，並利用卡爾曼濾波方程周期性計算出載車的導航參數誤差並修正導航參數，從而實現了利用車體非完整性約束慣性導航系統的自主導航。本發明有效的解決了慣性導航系統自主導航精度發散的問題，有效的保證了慣性定位定向設備的精度。該方法使用方便，無需增加額外輔助設備。
【專利說明】一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種慣性自主導航方法，特別是一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法。
【背景技術】
[0002]慣性導航系統是一種直接利用慣性器件(陀螺儀和加速度計)的測量信息建立方向基準，並通過加速度信息自動完成解算，從而獲得載車瞬時速度和位置的導航系統。慣性導航系統具有完全自主的特點，被廣泛應用於陸海空天領域。由於慣性器件存在隨機漂移，因此慣性導航系統具有定向和定位誤差隨時間增長的特性。對於低精度器件(如MEMS)，其定位定向誤差隨時間增長的特性尤為明顯，因此很難用於自主導航定位。通常，採用外圍輔助設備和慣性導航系統組成組合導航系統，以抑制慣性導航系統的誤差發散，實現導航定位的功能。
[0003]在載車運動條件下，採用低精度器件的慣性導航系統需要與GPS、裡程計、高程計等外部設備組成組合導航系統。外部設備可以通過載車速度或位置等信息，建立慣性導航系統在運動條件下的誤差模型，採用卡爾曼濾波器實現對慣性導航系統的導航信息誤差的補償。這種方法有效解決了慣性導航系統誤差發散的問題，能夠實現高精度的定位定向。但是這也破壞了慣性導航系統完全自主的特點，同時當外圍設備故障或無法工作時，慣性導航系統還存在誤差發散的問題，這些問題導致採用低精度器件的慣性導航系統在運動條件下無法實現自主導航。

【發明內容】

[0004]本發明目的在於提供一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法，解決由於採用低精度器件的慣性導航系統在運動條件下無法自主導航的問題。
[0005]一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法，其具體步驟為:
第一步構建利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統
利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統，包括:三軸矽微陀螺儀、三軸矽微加速度計、導航計算機、慣性導航解算模塊、導航修正模塊和通訊模塊。三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計分別與導航計算機實現SPI總線連接。慣性導航解算模塊、導航修正模塊和通訊模塊分別置於導航計算機中。
[0006]慣性導航解算模塊用於利用採集的角速率和加速度通過數學運算得到載體在地理坐標系內的姿態、速度和位置。
[0007]導航修正模塊用於利用車體非完整性約束構建觀測方程，採用卡爾曼濾波方程周期性修正利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統的導航參數，即載車的姿態、速度和位置。
[0008]通訊模塊用於利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統內外的數據採集和通τΗ ο[0009]第二步慣性導航解算模塊對導航參數初始化
載車靜止條件下，慣性導航解算模塊接收來自三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的數據，對三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的零偏進行補償，同時接收預存信息完成對慣性自主導航系統姿態、速度和位置信息的初始化。
[0010]第三步慣性導航解算模塊進行導航解算
載車啟動後，慣性導航解算模塊接收三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的數據，計算出載車在地理坐標系內的姿態、速度和位置。
[0011]第四步導航修正模塊進行修正準備
導航修正模塊接收導航解算模塊輸出的速度，並利用姿態轉換矩陣將接收到的速度轉換為車體的側向速度和垂向速度。
[0012]轉換公式為
【權利要求】
1.一種利用車體非完整性約束的慣性自主導航方法，其特徵在於具體步驟為: 第一步構建利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統 利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統，包括:三軸矽微陀螺儀、三軸矽微加速度計、導航計算機、慣性導航解算模塊、導航修正模塊和通訊模塊；三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計分別與導航計算機實現SPI總線連接；慣性導航解算模塊、導航修正模塊和通訊模塊分別置於導航計算機中； 慣性導航解算模塊用於利用採集的角速率和加速度通過數學運算得到載體在地理坐標系內的姿態、速度和位置； 導航修正模塊用於利用車體非完整性約束構建觀測方程，採用卡爾曼濾波方程周期性修正利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統的導航參數，即載車的姿態、速度和位置； 通訊模塊用於利用車體非完整性約束的慣性自主導航系統內外的數據採集和通訊； 第二步慣性導航解算模塊對導航參數初始化 載車靜止條件下，慣性導航解算模塊接收來自三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的數據，對三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的零偏進行補償，同時接收預存信息完成對慣性自主導航系統姿態、速度和位置信息的初始化； 第三步慣性導航解算模塊進行導航解算 載車啟動後，慣性導航解算模塊接收三軸矽微陀螺儀和三軸矽微加速度計的數據，計算出載車在地理坐標系內的姿態、速度和位置； 第四步導航修正模塊進行修正準備 導航修正模塊接收導航解算模塊輸出的速度，並利用姿態轉換矩陣將接收到的速度轉換為車體的側向速度和垂向速度； 轉換公式為:
【文檔編號】G01C21/20GK103712620SQ201310609301
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】高文劭 申請人:北京機械設備研究所