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一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，首先對(duì)IMU輸出數(shù)據(jù)捷聯(lián)解算獲得SINS當(dāng)前姿態(tài)、速度、位置信息。對(duì)衛(wèi)星星歷報(bào)文進(jìn)行星歷解算得到各衛(wèi)星位置、速度，各衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí)空統(tǒng)一，進(jìn)行衛(wèi)星選星。其次，利用選取的衛(wèi)星位置、速度信息與捷聯(lián)解算得到的SINS位置、速度信息計(jì)算得到SINS偽距、偽距率。再次，利用GNSS輸出的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，即測(cè)碼偽距和多普勒頻移，與SINS偽距、偽距率進(jìn)行比較，將差值作為濾波器的觀測(cè)量，經(jīng)過濾波器的最優(yōu)估計(jì)，給出校正SINS的補(bǔ)償量，閉環(huán)校正，得到SINS姿態(tài)、速度、位置最優(yōu)解。本發(fā)明解決了慣導(dǎo)與單衛(wèi)星組合導(dǎo)航在高樓遮擋、樹木掩蓋等復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星數(shù)目過少影響緊組合導(dǎo)航精度的問題。
【專利說明】一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，特別適用于高樓遮擋、樹木掩蓋等復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星數(shù)目過少的情況下的組合解
笪
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導(dǎo)航以牛頓經(jīng)典運(yùn)動(dòng)力學(xué)定律為基礎(chǔ)，是一種利用慣性測(cè)量元件測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)、在初始狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行遞推來確定運(yùn)載體姿態(tài)、速度和位置的自主式推算導(dǎo)航方法。目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)已發(fā)展較為成熟，但在遠(yuǎn)程、長(zhǎng)時(shí)間航行及武器發(fā)射等高精度導(dǎo)航時(shí)還不能完全滿足要求，其主要缺點(diǎn)是導(dǎo)航定位誤差隨時(shí)間積累。導(dǎo)航誤差主要由初始對(duì)準(zhǔn)的精度、慣性傳感器的誤差以及載體運(yùn)動(dòng)軌跡的動(dòng)態(tài)特性決定，長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作后誤差會(huì)發(fā)散很快。組合導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn)為這一問題的解決提供了一種有效途徑，衛(wèi)星導(dǎo)航能夠?qū)崟r(shí)的測(cè)定載體速度和位置，與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合在一起，通過信息融合技術(shù)可進(jìn)一步提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。目前，組合導(dǎo)航技術(shù)已成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。但是在高樓遮擋、數(shù)目掩蓋等復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星數(shù)目過少的情況下，單一的衛(wèi)星與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航解算精度下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)慣導(dǎo)與單衛(wèi)星組合導(dǎo)航在高樓遮擋、樹木掩蓋等復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星數(shù)目過少影響緊組合導(dǎo)航精度的問題，本發(fā)明提出一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊合導(dǎo)航的方法。
[0004]一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，包括以下步驟:
[0005](I)對(duì)慣性測(cè)量元件(MU)輸出數(shù)據(jù)通過捷聯(lián)解算獲得捷聯(lián)慣導(dǎo)當(dāng)前姿態(tài)、速度、位置，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)輸出的星歷報(bào)文進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理，獲得衛(wèi)星的速度、位置信息；
[0006](2)利用衛(wèi)星速度、位置與SINS位置、速度信息通過SINS偽距、偽距率計(jì)算得到SINS偽距、偽距率；
[0007](3)從衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)輸出的偽距報(bào)文獲得測(cè)碼偽距和多普勒頻移，與SINS偽距、偽距率進(jìn)行比較，將差值作為濾波器的觀測(cè)量，建立緊組合狀態(tài)模型及量測(cè)模型，經(jīng)過最優(yōu)估計(jì)與濾波，輸出系統(tǒng)的誤差校正量；對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正，輸出SINS姿態(tài)、速度、位置的最優(yōu)組合解。
[0008]所述的捷聯(lián)解算算法是利用IMU測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在初始狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行遞推來確定安裝了 SINS的運(yùn)載體姿態(tài)、速度和位置的自主式推斷導(dǎo)航。
[0009]所述的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理包括衛(wèi)星選星、衛(wèi)星星歷解算及衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合。
[0010]所述的SINS偽距、偽距率計(jì)算過程是由SINS的位置，衛(wèi)星的位置計(jì)算得到相應(yīng)于SINS所在位置處的偽距；由SINS的速度、衛(wèi)星的速度，獲得SINS相對(duì)于衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)即SINS的偽距變化率。
[0011]所述的最優(yōu)估計(jì)與濾波采用的是卡爾曼濾波器。[0012]所述的緊組合狀態(tài)模型及量測(cè)模型的建立方法如下:
[0013](I)多系統(tǒng)緊組合狀態(tài)方程建立
[0014]將捷聯(lián)誤差方程和衛(wèi)星系統(tǒng)建模轉(zhuǎn)為狀態(tài)方程描述
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)對(duì)慣性測(cè)量元件aMU)輸出數(shù)據(jù)通過捷聯(lián)解算獲得捷聯(lián)慣導(dǎo)當(dāng)前姿態(tài)、速度、位置，對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)輸出的星歷報(bào)文進(jìn)行衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理，獲得衛(wèi)星的速度、位置信息； (2)利用衛(wèi)星速度、位置與SINS位置、速度信息通過SINS偽距、偽距率計(jì)算得到SINS偽距、偽距率； (3)從衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)輸出的偽距報(bào)文獲得測(cè)碼偽距和多普勒頻移，與SINS偽距、偽距率進(jìn)行比較，將差值作為濾波器的觀測(cè)量，建立緊組合狀態(tài)模型及量測(cè)模型，經(jīng)過最優(yōu)估計(jì)與濾波，輸出系統(tǒng)的誤差校正量；對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正，輸出SINS姿態(tài)、速度、位置的最優(yōu)組合解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的捷聯(lián)解算算法是利用MU測(cè)量載體的角運(yùn)動(dòng)和線運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在初始狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行遞推來確定安裝了 SINS的運(yùn)載體姿態(tài)、速度和位置的自主式推斷導(dǎo)航。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理包括衛(wèi)星選星、衛(wèi)星星歷解算及衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合。
4.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的SINS偽距、偽距率計(jì)算過程是由SINS的位置，衛(wèi)星的位置計(jì)算得到相應(yīng)于SINS所在位置處的偽距；由SINS的速度、衛(wèi)星的速度，獲得SINS相對(duì)于衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)即SINS的偽距變化率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的最優(yōu)估計(jì)與濾波采用的是卡爾曼濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的緊組合狀態(tài)模型及量測(cè)模型的建立方法如下: (I)多系統(tǒng)緊組合狀態(tài)方程建立 將捷聯(lián)誤差方程和衛(wèi)星系統(tǒng)建模轉(zhuǎn)為狀態(tài)方程描述
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的衛(wèi)星選星即選擇合適的衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航解算，具體過程為:首先，判斷各衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目；若某衛(wèi)星系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目小于兩顆，則將該系統(tǒng)排除；其次，若采用單獨(dú)衛(wèi)星與SINS組合導(dǎo)航，選取4星組合；若采用雙星座系統(tǒng)與SINS組合，增加衛(wèi)星系統(tǒng)的同步誤差未知數(shù)，至少需要5顆星進(jìn)行導(dǎo)航解算即3+2模式；若采用三個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)與SINS組合時(shí)需要6顆星進(jìn)行定位解算即2+2+2模式；若采用四個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)組合時(shí)需要8顆星進(jìn)行定位解算即2+2+2+2模式；最后，在選取衛(wèi)星總數(shù)目及各個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)目滿足的前提下按照最大矢端多面體體積法或最小二乘法的選星算法進(jìn)行選星。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的衛(wèi)星星歷解算算法是指判斷衛(wèi)星系統(tǒng)輸出的星歷報(bào)文的格式，根據(jù)不同衛(wèi)星系統(tǒng)星歷報(bào)文的格式進(jìn)行星歷解析；衛(wèi)星系統(tǒng)星歷按照格式分為兩種:類GPS的廣播星歷參數(shù)格式及類GLONASS的廣播星歷參數(shù)格式；類GPS的廣播星歷參數(shù)格式的報(bào)文解析采用衛(wèi)星位置算法；類GLONASS的廣播星歷參數(shù)格式的報(bào)文解析采用推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)方程積分運(yùn)算方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合具體為選擇主衛(wèi)星系統(tǒng)，其它輔助衛(wèi)星系統(tǒng)按照主衛(wèi)星系統(tǒng)的參考時(shí)間、坐標(biāo)系進(jìn)行時(shí)間、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多衛(wèi)星系統(tǒng)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合導(dǎo)航方法，其特征是:所述的3+2模式即雙星座與SINS組合時(shí)，一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)選取3顆衛(wèi)星另一個(gè)系統(tǒng)選取2顆衛(wèi)星；所述的2+2+2模式指三個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)分別選取兩顆衛(wèi)星；所述的2+2+2+2模式為四個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)分別選取兩顆衛(wèi)星。
【文檔編號(hào)】G01S19/49GK103969672SQ201410204477
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】張濤, 宮淑萍, 徐曉蘇, 王立輝, 李瑤, 李佩娟 申請(qǐng)人:東南大學(xué)