慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法
2023-05-10 07:43:06
慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法
【專利摘要】本發明提供一種慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法，通過將航跡推算坐標和GPS經緯度坐標轉換到同一個局部坐標系中，以GPS坐標為標準值，航跡推算坐標為參照值，計算航跡推算坐標和GPS坐標之間的誤差值，設定3個誤差參數，每個誤差參數設定一定數量級的誤差範圍，在該範圍內隔段誤差選取一個誤差量，使用正交試驗法篩選出部分典型的誤差組合，找出誤差最小的誤差參數組合作為誤差參數最優值，並代入慣導航向和輪速計的左右輪數據中進行修正。本發明通過簡單的算法，估算慣導的系統誤差，並一次性的給予修正，算法簡單，速度快，計算一次便可修正，簡化了慣性導航定位系統使用前的誤差校準過程。
【專利說明】慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及慣性導航系統【技術領域】，尤其涉及一種慣性導航和輪速計組成的航跡 推算定位系統誤差估算算法。
【背景技術】
[0002] 慣性導航系統依靠機械設備和相應算法工作，能獨立完成導航任務。此外慣導系 統不受外界諸如天氣，電磁福射的環境因素的幹擾，並且載體在小範圍內的活動擁有非常 高的可靠性，因此慣性導航系統廣泛應用於軍用和民用領域。
[0003] 地面車輛的慣導系統在長時間的使用之後，慣導的安裝有鬆動，會導致慣導有安 裝偏移角，並且慣導受外界影響如磁場時也會導致慣導初始方向角存在偏差，而車輪由於 車胎氣壓的變化，車輪的半徑相較於標準車輪半徑也會出現偏差，從而導致輪速計在計算 車輛移動距離時出現偏移誤差。由於該類誤差問題的存在，會導致慣導定位系統在進行航 跡推算定位時，得到的坐標和運行軌跡出現較大的系統偏移誤差。因此慣導系統在開始工 作前，通常要進行初始校準W減小慣導初始安裝偏差角、慣導初始誤差、輪速計偏移誤差等 誤差導致的定位誤差。
[0004] 慣導的初始校準通常分為靜基座分析和動態誤差分析兩種。靜基座測試主要測量 慣導和其他導航器件的系統誤差，因需要使用大量精密儀器，雖然精度較高但是需要耗費 很長的時間並且成本也非常高。慣導的動態分析主要在慣導系統開始工作前進行校準，減 小安裝偏差角、慣導初始未對準之類的問題導致慣導系統工作定位產生系統誤差。而且動 態誤差測試在室外場地就能進行，不需要使用精密儀器，用GPS的坐標和航向角作為參考 標準就行，不需要太長的時間，使用方便，成本也非常低。但動態誤差修正方法主要注重誤 差的實時修正，算法複雜的同時，不能一次性的估計系統誤差值並給予修正。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了簡化慣性導航定位系統使用前的誤差校準過程，提供一種慣 性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法，算法簡單，速度快，計算一次便可 修正。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案：
[0007] -種慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法，包括如下步驟：
[000引 （1)試驗車打開車載的慣導、輪速計和GPS行駛一段路程，分別記錄慣導航向、輪 速計和GI^經締度坐標數據；
[0009] (2)根據慣導航向數據和輪速計數據進行航跡推算，得出n時刻航跡推算坐標 (Xn，Yn)；
[0010] (3)W試驗車的起點為原點設置局部坐標系，將GI^經締度坐標和步驟（2)中的航 跡推算坐標轉換為局部坐標系坐標，並W正北方向作為Y軸正方向，正東方向作為X軸正方 向，兩個坐標數據整合到同一坐標系中進行對比，WGI^經締度坐標點為標準參量，航跡推 算坐標點為包含誤差的對比值，兩坐標點之間的距離即為誤差值；
[0011] (4)設定慣導航向初始誤差角、左輪速計初始誤差和右輪速計初始誤差3個偏差 量為導致航跡推算得到的坐標出現誤差的誤差參數；
[0012] (5)確定誤差參數值最優值所在的範圍；首先對誤差參數組進行篩選，當誤差參 數值水平數為1或2時，通過作圖的辦法對誤差參數組進行篩選，當誤差參數值水平數大於 等於3時，通過正交試驗法對誤差參數組進行篩選；然後將篩選出的誤差參數組代入局部 坐標系中的航跡推算坐標中計算誤差大小來確定最優值的取值區間；
[0013] (6)將篩選出的誤差參數組代入局部坐標系中的航跡推算坐標中計算誤差大小， 根據計算比較誤差最大值和均值能否滿足精度要求，判斷是否為誤差參數組的最優解；
[0014] (7)在計算得到誤差參數組的最優解後，將最優解代入慣導航向和輪速計的左右 輪數據中進行修正，使用修正後的慣導航向和輪速計數據進行航跡推算便可W得到修正後 的慣導定位坐標。
[0015] 步驟（2)中，所述航跡推算的具體方法為：根據試驗車的慣導航向和輪速計的車 輛行駛距離數據，通過H角函數法計算車輛的位置坐標（x"，y。)，如下式所示：
[0016] X。=Xn-I+ALs*cos(headingn-i) (:〇
[0017] y。二Yn-I+ ALs*sin(headingn-i)
[001引其中ALs為單位採樣時間內試驗車移動的距離，heading^為第n-1時刻試驗車 的瞬時慣導航向。
[0019] 所述單位採樣時間內試驗車移動的距離ALs取左輪和右輪的行駛距離的平均 值，如下式所示：
【權利要求】
1. 一種慣性導航和輪速計組成的航跡推算定位系統誤差估算算法，其特徵在於，包括 如下步驟： (1) 試驗車打開車載的慣導、輪速計和GPS行駛一段路程，分別記錄慣導航向、輪速計 和GPS經緯度坐標數據； (2) 根據慣導航向數據和輪速計數據進行航跡推算，得出n時刻航跡推算坐標 (xn，yn); (3) 以試驗車的起點為原點設置局部坐標系，將GPS經緯度坐標和步驟（2)中的航跡推 算坐標轉換為局部坐標系坐標，並以正北方向作為Y軸正方向，正東方向作為X軸正方向， 兩個坐標數據整合到同一坐標系中進行對比，以GPS經緯度坐標點為標準參量，航跡推算 坐標點為包含誤差的對比值，兩坐標點之間的距離即為誤差值； (4) 設定慣導航向初始誤差角、左輪速計初始誤差和右輪速計初始誤差3個偏差量為 導致航跡推算得到的坐標出現誤差的誤差參數； (5) 確定誤差參數值最優值所在的範圍：首先對誤差參數組進行篩選，當誤差參數值 水平數為1或2時，通過作圖的辦法對誤差參數組進行篩選，當誤差參數值水平數大於等於 3時，通過正交試驗法對誤差參數組進行篩選；然後將篩選出的誤差參數組代入局部坐標 系中的航跡推算坐標中計算誤差大小來確定最優值的取值區間； (6) 將篩選出的誤差參數組代入局部坐標系中的航跡推算坐標中計算誤差大小，根據 計算比較誤差最大值和均值能否滿足精度要求，判斷是否為誤差參數組的最優解； (7) 在計算得到誤差參數組的最優解後，將最優解代入慣導航向和輪速計的左右輪數 據中進行修正，使用修正後的慣導航向和輪速計數據進行航跡推算便可以得到修正後的慣 導定位坐標。
2. 根據權利要求1所述的誤差估算算法，其特徵在於，步驟（2)中，航跡推算具體為： 根據試驗車的慣導航向和輪速計的車輛行駛距離數據，通過三角函數法計算車輛的位置坐 標（xn，yn)，如下式所示： xn = Xlri+ A Ls*cos (headingn-i) (i) yn = yn-i+ A Ls*sin (heading^) 其中A Ls為單位採樣時間內試驗車移動的距離，heading^為第n-1時刻試驗車的瞬 時慣導航向。
3. 根據權利要求2所述的誤差估算算法，其特徵在於，所述單位採樣時間內試驗車移 動的距離A Ls取左輪和右輪的行駛距離的平均值，如下式所示：
其中Ls是輪速計記錄的行駛距離平均值，Ls^為左輪輪速計記錄的行駛距離，Lsk是右 輪輪速計記錄的行駛距離，單位採樣時間內試驗車移動的距離ALs = Lsn-Lslri，其中LsnS n時刻的左右輪速計記錄的行駛距離的平均值。
4. 根據權利要求1所述的誤差估算算法，其特徵在於，步驟（3)中，GPS經緯度坐標轉 換成局部坐標系坐標的計算過程具體為：設n時刻GPS經緯度坐標轉化為局部坐標系中的 坐標（x'n，y'n)，如下式所示： X，n = X，n-i+R*!^，y，n = y，Qii) Ta =A CO * 31 /360 T4, =A 4) * 3i /360 其中R為地球半徑，A ?和A 為n時刻和n-1時刻之間的經度和緯度差值，和 h為經度和緯度差值轉化為弧度值。
5. 根據權利要求1所述的誤差估算算法，其特徵在於，步驟（5)中，誤差參數誤差範圍 設定為慣性導航官方標註誤差的兩倍，且正負方向都設定為誤差的分布範圍，在誤差正負 的分布範圍內，設定同組等分的水平數，同時0也作為一組水平數，讓各個不同組的水平數 自由組合，構成全部誤差參數組。
6. 根據權利要求1所述的誤差估算算法，其特徵在於，步驟￠)中，若對誤差參數組有 更大的精度需求，需要進一步精確計算最優解時，可以使用響應曲面法來擬合誤差曲面，找 到誤差曲面上誤差最小的點，其對應的誤差參數即是誤差參數的最優解。
【文檔編號】G01C25/00GK104359492SQ201410613529
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】祝輝, 何筆華, 梁華為, 餘彪 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院