一种利用伪观测取代精密转台的原地旋转调制寻北方法

文档序号:9808219阅读:734来源:国知局
一种利用伪观测取代精密转台的原地旋转调制寻北方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器应用领域,具体涉及一种利用伪观测取代精密转台的原地旋转 调制寻北方法。
【背景技术】
[0002] 陀螺寻北仪可以自主、快速、全天候地提供初始方位基准,在军事上可为舰船、鱼 雷、火炮、导弹、雷达、飞机等提供初始方位基准,同时在街景测量、精准农业、隧道施工等民 用工程中也显示出日益广阔的应用前景。
[0003] 陀螺寻北仪的两种经典寻北方法是四位置法和旋转调制法。四位置法基于最小二 乘的思路,通过对称位置的测量,不但能消除常值漂移的影响,还能较好的降低标度因数对 寻北结果的影响。但是,该方法需要精密的转位机构控制惯性测量单元(IMU)在寻北时段内 分别停在不同的精确已知的角位置上,因此造成系统的体积、重量、功耗和成本的增加。相 对于四位置法,旋转调制法凭借其对陀螺零偏的调制解调,理论上可以显著缩短寻北时间, 提高寻北精度。但是,旋转调制寻北法的连续旋转方案对系统硬件结构和性能,尤其是对转 台的旋转精度、转速和转动稳定性有很高的要求;即寻北精度很大程度上取决于转台精度。

【发明内容】

[0004] 针对现有技术存在的不足,本发明提供了一种利用伪观测取代精密转台的原地旋 转调制寻北方法,本发明可以在无需任何外部设备和外部基准的情况下,仅基于IMU进行寻 北。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
[0006] -种利用伪观测取代精密转台的原地旋转调制寻北方法,包括:
[0007] S1获取当前旋转方式下伪观测中心的位置及杆臂信息,伪观测中心即旋转中心, 杆臂信息包括系统性杆臂信息和随机性杆臂信息,其中,系统性杆臂信息为MU测量中心到 伪观测中心的距离,随机性杆臂信息为伪观测中心的位置变化范围;
[0008] S2开启惯性导航系统电源,判断是否已知载体的当前姿态角,若已知,执行步骤 S4;否则,执行步骤S3后再执行步骤S4;
[0009] S3使頂U处于静态或准静态,利用MU中加速度计和陀螺的输出信息,采用静态粗 对准法获取载体的当前姿态角;初始静态或准静态时,载体姿态角大小等同IMU姿态角;
[0010] S4将载体的当前姿态角作为頂U初始姿态角,进行原地旋转调制寻北,具体为:
[0011] 4.1采用伪观测中心位置、杆臂信息、IMU初始姿态角及惯性传感器性能参数进行 初始化,并采用当前旋转方式旋转IMU;
[0012] 4.2以伪观测中心的位置变化量和/或速度变化量为伪观测信息,以伪观测信息为 量测信息构建含杆臂信息的量测方程,根据IMU在线误差补偿后的输出信息和伪观测信息, 采用卡尔曼滤波器估计状态参数,状态参数包括导航状态参数和惯性传感器性能参数,所 得惯性传感器性能参数估计值用于惯性传感器输出的误差补偿;
[0013]
其中,Zr和Zv分别为位置和速度量测向量,nr表示包含了随机性杆臂信息的位置量测噪声,n v 表示速度量测噪声,nr和nv均在卡尔曼滤波量测噪声阵R中体现,&;为IMU测量中心在η系 下的位置误差^为系统性杆臂信息,为的反斜对称矩阵形式,为b系到η 系的方向余弦矩阵,Φ为姿态角旋转矢量的误差在η系的投影,<5^^ :为IMU测量中心在η系下 的速度误差,为η系相对于i系的地球自转角速度变化投影到η系的向量,^;^为<的 反斜对称矩阵形式,X)为的反斜对称矩阵形式,为b系相对于i系的地球 自转角速度变化投影到b系的向量,为?和的叉乘,为b系相对于i系的 地球自转角速度变化投影到b系的向量误差;
[0014] 4.3将MU中陀螺经在线误差补偿后的输出转化成增量形式数据,将陀螺z轴输出 的增量形式数据累加,即得IMU精密转角;
[0015] 4.4利用估计的导航状态参数中MU姿态角和步骤4.3所获知的MU精密转角计算 载体航向角。
[0016] 步骤S4中,旋转MJ时,要保证MJ遍历各种姿态,即绕MJ的X、Y、Z轴均都有旋转。 [0017]步骤S4中,旋转IMU时,IMU旋转的初始位置和结束位置在同一点。
[0018] 步骤S4中,旋转頂U时,旋转时间要保证所有待估惯性传感器性能参数的标准差收 敛至要求精度。
[0019] 子步骤4.2~4.4在頂U旋转过程中实时进行或頂U旋转完成后进行。
[0020] 完成步骤S4后,结合卡尔曼滤波器输出和寻北数据进行一次反向平滑,其中,寻北 数据为伪观测数据和IMU数据,IMU数据即陀螺和加速度计的输出。作为优选方案,还可以将 反向平滑结果和子步骤4.2获得的状态参数估计值加权平均。
[0021 ] 上述子步骤4.2进一步包括:
[0022] (1)采用误差形式或非误差形式表示待估状态参数向量,根据实际情况的随机过 程构建待估惯性传感器性能参数模型,从而构建状态方程;
[0023] (2)以伪观测中心的位置变化量和/或速度变化量为伪观测信息,假定伪观测信息 始终为零;
[0024] (3)将杆臂信息引入量测方程,以伪观测信息为量测信息构建包含杆臂信息的量 测方程,将系统性杆臂信息建模补偿,并将随机性杆臂信息的影响在卡尔曼滤波量测噪声 阵R中体现;
[0025] (4)根据頂U经在线误差补偿后的输出信息和伪观测信息,结合状态方程和量测方 程,采用卡尔曼滤波器估计待估状态参数。
[0026] 上述待估惯性传感器性能参数模型为随机常数模型、随机游走模型或一阶高斯马 尔可夫模型。
[0027] 上述量测噪声阵初始值采用如下方法设定:
[0028] (a)随机设置量测噪声阵,并调整量测噪声阵中传感器参数使得传感器参数标准 差收敛至预设精度;
[0029] (b)采用当前量测噪声阵对事先采集的当前旋转方式下的多组数据进行滤波,统 计滤波结果的位置和速度残差的均方根,将该位置和速度残差的均方根作为当前旋转方式 下的量测噪声阵初始值。
[0030] 作为优选方案,存在全球卫星导航系统信号时,可采用GNSS/INS组合导航算法解 算待估状态参数值,将该待估状态参数值和子步骤4.2所得待估状态参数值做加权求和,将 加权求和结果中的导航状态参数值用于子步骤4.4,加权求和结果中的惯性传感器性能参 数值用于惯性传感器输出的误差补偿。
[0031] 本发明利用伪观测信息和MU中陀螺器件经在线误差补偿后的输出推算旋转调制 过程中IMU的精密转角。因为对伪观测信息的使用不需精确已知所有时刻的IMU姿态,故本 发明可从本质上消除对精密角度或精密角速度测量装置的依赖。
[0032] 因为伪观测是基于IMU旋转过程中伪观测中心位置和速度不变这一假设,针对实 际使用过程中伪观测中心的位置和速度有可能变化这一现象,本发明提出了包含杆臂信息 的伪观测量测方程,其中对系统性杆臂信息进行建模,并将随机性杆臂信息体现于卡尔曼 滤波量测噪声阵R,从而提供了存在杆臂情况下的伪观测和INS组合导航方案。
[0033] 和现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
[0034] 1、本发明不需要任何外部设备或装置来辅助寻北,对寻北动作也没有严格要求, 手持IMU绕伪观测中心采用充足的无精度要求的旋转运动即可完成。
[0035] 2、本发明是对GNSS/INS组合导航法进行改进后得到的,即利用伪观测信息取代 GNSS(全球卫星导航系统)量测信息,并利用INS(惯性导航系统)中的陀螺器件经过在线误 差补偿后的输出来推算旋转调制过程中的IMU精密转角。因为伪观测信息的使用不需精确 已知所有时刻的頂U姿态,故本发明可从本质上消除对精密角度或精密角速度测量装置(例 如精密转台)的依赖。
[0036] 3、伪观测信息的引入和伪观测信息与INS的组合导航卡尔曼滤波是本发明重点, 也是本发明能取代精密转台为INS提供修正的关键。伪观测信息包括伪位置观测和伪速度 观测,二者的思想是认为伪观测中心的位置和速度是不变的。本发明可同时使用伪位置观 测和伪速度观测作为量测信息,也可只取其一。伪位置观测和伪速度观测的采用一方面从 本质上消除了旋转调制寻北对精密角度或精密角速度测量装置的依赖,另一方面降低了 GNSS/INS组合导航寻北法对GNSS的要求,扩大了寻北适用范围,提高了寻北效率和寻北操 作的方便性。
[0037] 4、本发明还提出了针对杆臂情况的伪观测/INS组合导航方案。因为伪观测是基于 IMU旋转过程中伪观测中心的位置或速度不变这一假设,针对实际使用过程中伪观测中心 的位置或速度有可能变化这一现象,本发明提出了包含杆臂信息的伪观测量测方程,其中 将系统性杆臂信息建模补偿,并将随机性杆臂信息在卡尔曼滤波量测噪声阵(R)中体现。
[0038] 5、本发明数据处理既可以在寻北旋转过程中实时进行,也可以在寻北旋转完成后 进行事后处理。
[0039] 6、若使用卡尔曼滤波作为估计工具,则在旋转过程中,不断地采用卡尔曼滤波法 实时估计IMU航向角。旋转动作完成,即完成寻北,不需要后处理。若在旋转过程完成后对数 据进行一次反向平滑处理,可进一步提高结果精度。
[0040] 7、本发明采用的MU不限于低精度的微机械(MEMS HMU,还包括其它不同精度的惯 性传感器(即陀螺和加速度计)组成的MU;除了常见的三轴陀螺和三轴加速度计构成的頂U 之外,还包括带有冗余配置的頂U。
[0041] 8、本发
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