微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法技术

本发明专利技术提供的是一种微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法。首先利用微惯导、电子罗盘对组合系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵；进而可以计算出载体的初始姿态值；利用微惯导系统的位置、速度、姿态及惯性传感器的误差方程，建立扩展卡尔曼滤波器的状态方程；利用电子罗盘和GPS分别建立的观测方程组成扩展卡尔曼滤波器的观测方程；利用扩展卡尔曼滤波器进行实时估测微惯导系统姿态误差；利用得到的姿态误差进行修正姿态矩阵，并计算出微惯导系统新的姿态值。本发明专利技术的方法是利用电子罗盘和GPS辅助微惯导系统来提高导航姿态精度的方法。

【技术实现步骤摘要】
微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法
本专利技术涉及的是一种姿态测量方法，具体地说是一种微惯导/DGPS/电子罗盘组合导航姿态测量方法。
技术介绍
GPS载波相位能够被利用计算出非常精确的位置、速度信息，但是其连续定位能力差、动态性能低，特别是在高楼区、山区、隧道、立交桥等恶劣的环境下，卫星信号容易受到遮挡导致失效，从而使GPS不能进行定位；微惯导系统具有独立自主工作的优点，但其导航误差随时间积累。上述单一的导航系统由于自身存在的不足--GPS载波相位不能够提供载体的姿态而微惯导系统虽能够提供载体的姿态但其误差随时间积累，无法提供高精度的载体姿态的要求；而电子罗盘以其具有完全自主、结构简单、启动速度快、并能提供姿态值等优点被常选作为一种姿态测量的辅助设备，因此本专利技术是将上述的三种导航测量系统组合起来使用，以提供高精度的载体姿态。在利用微惯导/GPS载波相位/电子罗盘组合进行确定姿态的研究，目前已有的文章，如上海交通大学的硕士论文《组合式车载导航系统研究》是将微惯导、GPS、电子罗盘三种测量方式分成两组，即微惯导/GPS和微惯导/电子罗盘，进行组合测量，然后建立联合卡尔曼滤波器进行导航测量，且微惯导/电子罗盘的组合仅仅利用了微惯导和电子罗盘提供的姿态之间的差，没有得到姿态差与失准角之间的关系。而中北大学的硕士论文《MIMU/GPS/电子罗盘组合导航系统关键技术研究》虽将微惯导、GPS、电子罗盘三者进行了直接的组合并利用得到的姿态差与失准角之间的关系建立了电子罗盘部分的观测方程，但是GPS部分的观测方程却是位置、速度之差，因此得到姿态精度不高。本专利技术不仅将三种测量方式直接进行组合，并利用姿态差与失准角之间的关系建立了电子罗盘部分的观测方程，GPS部分的观测方程是利用GPS接收机的原始数据进行站际星际双差得到的载波相位误差和多普勒速度误差，因此能够得到高精度的姿态值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能提高导航姿态精度的微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤1、利用微惯导、电子罗盘对组合系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵其中，Cij是姿态矩阵的元素，i,j＝1,2,3；步骤2、根据步骤1中的初始姿态矩阵计算出载体的初始姿态值步骤3、利用微惯导系统的位置误差方程、速度误差方程、平台失准角方程及惯性传感器误差方程构成扩展卡尔曼滤波器的状态方程，其状态变量为15维：其中，δL、δλ、δh分别为SINS解算得到的经度、纬度、高度误差，δvE、δvN、δvU分别为SINS解算得到的东向、北向、天向速度误差，分别为SINS解算得到的东、北、天三个方向的平台失准角，εE、εN、εU分别为东、北、天向陀螺漂移，分别为东、北、天向加速度计零偏；步骤4、利用电子罗盘输出的姿态γE、θE、ψE和微惯导系统输出的姿态γM、θM、ψM之间的差值δγ、δθ、δψ与平台失准角之间的关系建立电子罗盘部分的观测方程，即为其中，γE、θE、ψE对应电子罗盘输出的东向、北向、天向姿态；γM、θM、ψM对应微惯导输出的东向、北向、天向姿态；w1对应电子罗盘部分的观测噪声矩阵，H1对应电子罗盘部分的观测矩阵、其表达形式为：步骤5、利用GPS接收机在t1、t2时刻接收到的l卫星和m卫星的载波相位信号，在地球坐标系下对其进行站际、星际双差过程，得到单位向量差q；步骤6、根据步骤5得到GPS部分的观测方程：Z2＝H2δX+w2其中，w2对应GPS部分的观测噪声矩阵，δX表示的是步骤3中扩展卡尔曼滤波器状态方程的15维状态变量，H2对应的是观测转换矩阵，即其中，表示的是由微惯导解算中得到的导航坐标系到地球坐标系的转换矩阵；步骤7、根据步骤4得到的电子罗盘部分的观测方程和步骤6得到的GPS部分的观测方程建立组合系统的扩展卡尔曼滤波器观测方程为：步骤8、利用步骤3和步骤7提供的状态方程和观测方程构成扩展卡尔曼滤波器，实时估测出微惯导系统失准角k＝0,1,2…；步骤9、利用步骤8估测出的微惯导系统失准角修正步骤1中微惯导系统的姿态矩阵，得到修正后的姿态矩阵，再利用步骤2中的计算方法实时地计算出微惯导系统的姿态值。本专利技术是一种由微惯导系统提供滤波器的状态方程，电子罗盘的姿态值与GPS的站际、星际双差组成的滤波器观测方程，然后利用扩展卡尔曼滤波器进行滤波实时地估测出载体失准角，然后进行实时地修正载体姿态的测量方法。本专利技术的微惯导/DGPS/电子罗盘组合导航姿态测量方法，是由微惯导提供滤波器的状态方程，滤波器的观测方程则由GPS和电子罗盘两部分构成，利用扩展卡尔曼滤波器进行实时估测微惯导系统失准角，利用得到的平台失准角修正姿态矩阵，并计算出微惯导系统新的姿态值。在算法上将微惯导/DGPS/电子罗盘组合，可以有效提高导航姿态精度。附图说明图1为本专利技术的流程图。具体实施方式下面结合图1对本专利技术做更详细地描述：步骤1、通过对微惯导系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵其中，Cij是姿态矩阵的元素，i,j＝1,2,3。步骤2、根据步骤1中的初始姿态矩阵计算出载体的初始姿态值；首先计算的主值公式为：则载体的姿态值为：步骤3、利用微惯导系统的位置误差、速度误差、平台失准角及惯性传感器误差的方程构成扩展卡尔曼滤波器的状态方程，其状态变量为15维：其中，δL、δλ、δh分别为SINS解算得到的经度、纬度、高度误差，δvE、δvN、δvU分别为SINS解算得到的东向、北向、天向速度误差，分别为SINS解算得到的东、北、天三个方向的平台失准角，εE、εN、εU分别为东、北、天向陀螺漂移，分别为东、北、天向加速度计零偏。步骤4、利用电子罗盘输出的姿态γE、θE、ψE和微惯导系统输出的姿态γM、θM、ψM之间的差值δγ、δθ、δψ与平台失准角之间的关系建立电子罗盘部分的观测方程，即为...

【技术保护点】
一种微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法，其特征是：步骤1、利用微惯导、电子罗盘对组合系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵Cbn(0)=C11C12C13C21C22C23C31C32C33]]>其中，Cij是姿态矩阵的元素，i,j=1,2,3；步骤2、根据步骤1中的初始姿态矩阵计算出载体的初始姿态值步骤3、利用微惯导系统的位置误差方程、速度误差方程、平台失准角方程及惯性传感器误差方程构成扩展卡尔曼滤波器的状态方程，其状态变量为15维：其中，δL、δλ、δh分别为SINS解算得到的经度、纬度、高度误差，δvE、δvN、δvU分别为SINS解算得到的东向、北向、天向速度误差，分别为SINS解算得到的东、北、天三个方向的平台失准角，εE、εN、εU分别为东、北、天向陀螺漂移，分别为东、北、天向加速度计零偏；步骤4、利用电子罗盘输出的姿态γE、θE、ψE和微惯导系统输出的姿态γM、θM、ψM之间的差值δγ、δθ、δψ与平台失准角之间的关系建立电子罗盘部分的观测方程，即为Z1=γM-γEθM-θEψM-ψE=δγδθδψ=H1δX+w1]]>其中，γE、θE、ψE对应电子罗盘输出的东向、北向、天向姿态；γM、θM、ψM对应微惯导输出的东向、北向、天向姿态；w1对应电子罗盘部分的观测噪声矩阵，H1对应电子罗盘部分的观测矩阵、其表达形式为：H1=01×6sinψEcosθE-cosψEcosθE001×601×6-cosψE-sinψE001×601×6-sinθEsinψEcosθEsinθEcosψEcosθE-101×6;]]>步骤5、利用GPS接收机在t1、t2时刻接收到的l卫星和m卫星的载波相位信号，在地球坐标系下对其进行站际、星际双差过程，得到单位向量差q；步骤6、根据步骤5得到GPS部分的观测方程：Z2=H2δX+w2其中，w2对应GPS部分的观测噪声矩阵，δX表示的是步骤3中扩展卡尔曼滤波器状态方程的15维状态变量，H2对应的是观测转换矩阵，即H2=01×301×3qCne01×601×3qCne01×301×6]]>其中，表示的是由微惯导解算中得到的导航坐标系到地球坐标系的转换矩阵；步骤7、根据步骤4得到的电子罗盘部分的观测方程和步骤6得到的GPS部分的观测方程建立组合系统的扩展卡尔曼滤波器观测方程为：Z1Z2=H1H2δX+w1w2;]]>步骤8、利用步骤3和步骤7提供的状态方程和观测方程构成扩展卡尔曼滤波器，实时估测出微惯导系统失准角步骤9、利用步骤8估测出的微惯导系统失准角修正步骤1中微惯导系统的姿态矩阵，得到修正后的姿态矩阵，再利用步骤2中的计算方法实时地计算出微惯导系统的姿态值。...

【技术特征摘要】
1.一种微惯导与DGPS和电子罗盘组合导航姿态测量方法，其特征是：步骤1、利用微惯导、电子罗盘对组合系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵其中，Cij是姿态矩阵的元素，i,j＝1,2,3；步骤2、根据步骤1中的初始姿态矩阵计算出载体的初始姿态值具体包括：首先计算的主值，公式为：再计算载体的初始姿态值，公式为：步骤3、利用微惯导系统的位置误差方程、速度误差方程、平台失准角方程及惯性传感器误差方程构成扩展卡尔曼滤波器的状态方程，其状态变量为15维：其中，δL、δλ、δh分别为SINS解算得到的经度、纬度、高度误差，δvE、δvN、δvU分别为SINS解算得到的东向、北向、天向速度误差，分别为SINS解算得到的东、北、天三个方向的平台失准角，εE、εN、εU分别为东、北、天向陀螺漂移，分别为东、北、天向加速度计零偏；步骤4、利用电子罗盘输出的姿态γE、θE、ψE和微惯导系统输出的姿态γM、θM、ψM之间的差值δγ、δθ、δψ与平台失准角之间的关系建立电子罗盘部分的观测方程，即为其中，γE、θE、ψE对应电子罗盘输出的东向、北向、天向姿态；γM、θM、ψM对应微惯导输出的东向、北向、天向姿态；w1对应电子罗盘部分的观测噪声矩阵，H1对应电子罗盘部分的观测矩阵、其表达形式为：步骤5、利用GPS接收机在t1、t2时刻接...

【专利技术属性】
技术研发人员：奔粤阳，杨祥龙，刘新源，李明宇，李敬春，杨晓龙，尹冬寒，赵维珩，刘适，阮双双，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23