一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统，方法包括步骤：S1、采集正常工作状态下N个采样周期内里程计脉冲数，求解惯组与里程计之间的俯仰安装偏角和航向安装偏角；S2、建立状态方程；S3、建立量测方程，其中量测量为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计增量在导航系下的位移投影；S4、利用状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，以实时修正惯性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。本发明专利技术还提供实现上述方法的系统。实施本发明专利技术能有效修正组合导航误差量，大幅度提高组合导航精度，尤其适用于惯组处于大角度斜置的情况。

【技术实现步骤摘要】
一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统
本专利技术属于航空航天捷联惯性导航
中惯性组合定位领域，更具体地，涉及一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统。
技术介绍
捷联惯导系统具有反应时间短、可靠性高、自主性好以及全天候应用等优点，广泛应用于航空、航天及车载等军用和民用导航领域，在国防和经济建设中发挥着重要作用。惯性导航系统能实时地输出载体位置、速度以及姿态等信息，但是其难以克服导航误差随时间累积的缺点。里程计是一种自主的距离信息测量传感器，它与惯性导航系统组合之后能够起到抑制惯导误差发散的作用，因此采用惯性/里程计组合技术能够建立高精度自主定位定向导航系统。激光惯组精度高、稳定性好，是实现高精度自主定位定向的重要组成。由于死区的存在，激光惯组通常工作在机械抖动偏频模式下，在此模式下激光陀螺噪声较大，难以实现高精度定向能力。因此考虑将激光惯组斜置，使惯组的三个正交轴与水平面保持一个较大的角度，同时使得惯组绕天向轴旋转时工作在速率偏频模式下，此模式下激光惯组避开了死区，且产生的噪声小、定位精度高。里程计测量的是车辆行进方向的路程，通过建立车体坐标系将里程计一维输出转换为三位输出，再通过车体坐标系到惯组坐标系的转换以及惯组坐标系到导航坐标系的转换得到里程计输出在导航系下的投影，通常情况下车体系到惯组坐标系是小角度，可以按照线性补偿的方式进行转换。激光惯组在斜置状态下，三个正交轴与水平面的夹角都是大角度，若以线性方式对车体系到惯组坐标系之间的转换进行补偿，则会导致误差过大。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统，方法能有效修正组合导航误差量，大幅度提高组合导航精度，尤其适用于惯组处于大角度斜置的情况。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种激光惯组与里程计组合导航方法，所述方法包括以下步骤：S1、采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯组与里程计之间的俯仰安装偏角αθ和航向安装偏角αψ，所述为矢量第j个分量，j＝1,2,3；为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，为累积预设时间内惯组导航解算的位移增量，Kod为里程计脉冲当量；S2、建立状态方程其中，F为状态转移矩阵，w为系统噪声，φ为惯导姿态误差，δvn为惯导速度误差，δP为惯导位置误差，为陀螺漂移误差；为加速度计偏置误差，里程计误差相关量ξod＝[δKod,δαθ，δαψ]，其中δKod为里程计刻度系数误差，δαθ为俯仰安装偏角误差，δαψ为航向安装偏角误差；S3、建立量测方程z＝HX+v，其中v为量测噪声；量测量累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量z，所述为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计增量在导航系下的位移投影；量测矩阵I为单位矩阵，S4、利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，以实时修正惯性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。相应地，本专利技术还提供一种激光惯组与里程计组合导航系统，所述系统包括：第一子模块，用于采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯组与里程计之间的俯仰安装偏角αθ和航向安装偏角αψ，所述为矢量第j个分量，j＝1,2,3；为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，为累积预设时间内惯组导航解算的位移增量，Kod为里程计脉冲当量；第二子模块，用于建立状态方程其中，F为状态转移矩阵，w为系统噪声，φ为惯导姿态误差，δvn为惯导速度误差，δP为惯导位置误差，为陀螺漂移误差；为加速度计偏置误差，里程计误差相关量ξod＝[δKod,δαθ，δαψ]，其中δKod为里程计刻度系数误差，δαθ为俯仰安装偏角误差，δαψ为航向安装偏角误差；第三子模块，用于建立量测方程z＝HX+v，其中v为量测噪声；量测量累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量z，所述为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计增量在导航系下的位移投影；量测矩阵I为单位矩阵，第四子模块，用于利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，以实时修正惯性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：本专利技术给出惯组与里程计之间安装偏角估计方法，尤其适用于惯组处于大角度斜置条件下的情况，通过安装偏角补偿后能精确计算里程计的位移增量；将预设个采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量的差值作为量测值，考虑了里程计的刻度系数误差δKod及安装偏角误差δαθ、δαψ，有利于通过卡尔曼滤波器进行估计，进而通过估计值修正误差量，能大幅度提高组合导航精度。本专利技术计算简便，无需额外增加滤波器的维数，易于实现，具有良好的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术激光惯组与里程计组合导航方法流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术方法原理描述如下：里程计固定安装在车体上，与车辆的变速轴连接，通过转轴的转动传递至里程计周期转动，里程计以脉冲的形式Ni输出，通过当量Kod(单位：m/脉冲)折算后得到采样时间内里程计测量的路程增量在定义的车体坐标系m系下的投影，记为(上标表示所述路程增量在定义的车体坐标系m系下的投影，下表i表示第i个采样周期)，建立车体坐标系m系与惯组坐标系b系之间的方向余弦矩阵将路程增量投影至惯组坐标系b系得到路程增量在惯组坐标系b下的投影有：上式中，αψ为车体坐标系m系与惯组坐标系b系之间的航向安装偏角，αθ为车体坐标系m系与惯组坐标系b系之间的俯仰安装偏差角，m系与b系之间的滚转安装偏差角不影响路程增量的投影。根据上式得到路程增量在导航系n系下的投影：上式中，为第i个采样周期内惯组坐标系b系与导航系n系之间的方向余弦矩阵。由于惯组与里程计都固连于车体上，因此认为安装偏差角αψ、αθ不变，累积预设时间(例如10分钟)内导航系n下的里程计增量有：累积该段时间内惯组导航解算的位移增量考虑高精度惯组的位置误差与行驶的距离相比为小量，将作为实际位移增量的参考值，令：从而得到：上式中为计算安装偏角的中间量，进一步得到安装偏角估计值为：在组合导航过程中将计算得到的安装偏角补偿里程计算后得到里程计的位移增量在惯性导航基础上建立导航参数误差微分方程，选取状态量包括姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺误差和加速度计误差，同时将里程计的刻度系数误差δKod及安装偏角误差δαθ、δαψ列入状态量，建立状态空间微分方程。根据里程计位移增量与惯组位移增量构造量测量，累积预设时间(通常设为1秒)内惯导位移增量与里程计位移增量并将二者之差作为量测值，即：根据量测量建立量测方程，对状态微分方程离散化后采用卡尔曼滤波技术对各个误差量进行估计，修正姿态、速度、位置及器件误差。以下对本专利技术方法具体实现步骤作说明。图1为本专利技术方法流程示意图。本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光惯组与里程计组合导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯组与里程计之间的俯仰安装偏角αθ和航向安装偏角αψ，所述为矢量第j个分量，j＝1,2,3；为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，为预设时间内惯组导航解算的位移增量，Kod为里程计脉冲当量；S2、建立状态方程其中，F为状态转移矩阵，w为系统噪声，X=(φ)T(δvn)T(δP)T(ϵbb)T(▿bb)TξodTT,]]>φ为惯导姿态误差，δvn为惯导速度误差，δP为惯导位置误差，为陀螺漂移误差；为加速度计偏置误差，里程计误差相关量ξod＝[δKod,δαθ，δαψ]，其中δKod为里程计刻度系数误差，δαθ为俯仰安装偏角误差，δαψ为航向安装偏角误差；S3、建立量测方程z＝HX+v，其中v为量测噪声；量测量累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量z，所述为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计增量在导航系下的位移投影；量测矩阵H=-Σ(Cbn(i)ΔSib)×I3×303×303×303×3-ΣCbn(i)Mib,]]>I为单位矩阵，Mib=NiKodsinαψcosαθ-sinαψsinαθcosαψcosαθcosαψcosαθ-cosαψsinαθ-sinαψcosαθsinαθcosαθ0;]]>S4、利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，以实时修正惯性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。...

【技术特征摘要】
1.一种激光惯组与里程计组合导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯组与里程计之间的俯仰安装偏角αθ和航向安装偏角αψ，所述为矢量第j个分量，j＝1,2,3；为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，为累积预设时间内惯组导航解算的位移增量，Kod为里程计脉冲当量；S2、建立状态方程其中，F为状态转移矩阵，w为系统噪声，φ为惯导姿态误差，δvn为惯导速度误差，δP为惯导位置误差，为陀螺漂移误差；为加速度计偏置误差，里程计误差相关量ξod＝[δKod,δαθ，δαψ]，其中δKod为里程计刻度系数误差，δαθ为俯仰安装偏角误差，δαψ为航向安装偏角误差；S3、建立量测方程z＝HX+v，其中v为量测噪声；量测量累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量z，所述为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计增量在导航系下的位移投影；量测矩阵I为单位矩阵，S4、利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，以实时修正惯性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。2.一种激光惯组...

【专利技术属性】
技术研发人员：李旦，刘明，牟方佳，杨道安，胡华峰，
申请(专利权)人：湖北航天技术研究院总体设计所，
类型：发明
国别省市：湖北;42