基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法技术方案

本发明专利技术涉及基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，主要解决现有地形轮廓匹配方法不能修正惯性导航系统速度误差的问题。其实现步骤是：1)根据惯性导航系统指示在地形高程图中找到航行器的位置；2)根据航行器的位置，获取实测高程序列的起始坐标；3)根据实测高程序列的起始坐标，获取实测地形高程序列，并构造地形匹配起始点搜索区；4)根据地形匹配起始点搜索区的范围读取搜索区高程序列，计算搜索区各高程序列与实测高程序列的平方差，得到地形匹配位置坐标；6)根据实测高程序列起始坐标和地形匹配位置坐标对惯性导航系统进行速度修正。本发明专利技术减小了惯性导航系统的速度误差和地形匹配位置误差，可用于地形匹配辅助导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于数据处理
，特别涉及一种惯性导航系统速度累积误差修正方法，可用于组合导航。
技术介绍
随着科学技术的飞速发展，国内外已先后研制出了惯性导航系统和GPS全球定位导航系统等。GPS全球定位导航系统是一种高精度全球三维实时卫星导航系统，具有精度高，可用性好的优点，但也存在动态环境中可靠性差，导航定位是非自主式，且GPS技术受美国控制，因此关键技术受制于他人；惯性导航系统INS，具有自主性、隐蔽性、抗干扰性强，短时间内导航定位精度高，实时连续的提供导航信息等优点，但也存在导航位置和速度信息随着时间累积而发生漂移产生较大误差的缺点。由于惯性导航系统定位误差随时间积累，必须进行补偿和修正，解决这个问题的主要途径之一是发展组合导航技术。因此出现了地形辅助导航TAN技术，它被用来修正惯性导航系统的累积误差。所谓地形辅助导航，实质上是由惯性导航系统、雷达高度表、气压高度表和数字地图构成的组合导航系统，该系统的最大特征就是能够修正惯性导航系统的导航信息，消除惯性导航系统的累积误差，提高导航精度。现有的地形辅助导航方法是地形轮廓匹配TERCOM辅助导航方法。地形轮廓匹配方法是通过控制航行器航行的速度和时间，间隔的进行地形高程采样，从而获得地形高程值的实测数据。通过将实测高程序列与机载数字地形高程图上的高程序列进行相关计算，获得当前地形匹配位置信息。上述这种形轮廓匹配辅助导航方法，所说在速度累积误差较小的情况下可以消除惯性导航系统的位置误差，但对于惯性导航系统的速度累积误差无法进行修正，导致航行偏移。这是因为在惯性导航系统工作的初期，由于惯性导航系统工作时间较短，惯性导航系统的速度累积误差较小，对现有的地形轮廓匹配辅助导航方法影响较小；随着惯性导航系统工作时间的增加，惯性导航系统的速度产生较大的累积误差，严重的影响了地形轮廓匹配辅助导航的性能，最终导致辅助导航系统产生较大的定位导航误差，产生航行偏移。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的形轮廓匹配辅助导航方法的不足，提出一种基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，以减小惯性导航系统速度累积误差，提高了地形轮廓匹配的性能和稳定性，避免航行偏移。本专利技术的技术关键是：利用地形轮廓匹配技术和卡尔曼滤波器技术，对惯性导航系统的速度累积误差进行修正，其实现步骤如下：(1)读取当前机载惯性导航系统指示的航行器位置坐标，根据此位置坐标，在机载数字地形高程图中找到当前航行器的位置；(2)判断航行器是否处在地形匹配区域中：若不在地形匹配区域中，则返回(1)；若处在地形匹配区域中，则调整航行器的航行姿态和速度v进行匀速直线航行，并把当前惯性导航系统指示位置的坐标作为实测高程序列的起始坐标；(3)根据实测高程序列的起始坐标，获取实测地形高程序列；(4)根据实测高程序列的起始坐标，构造地形匹配起始点搜索区；(5)判断地形起始点匹配搜索区是否完全在地形匹配区域中：若不完全在该地形匹配区域中，则不能进行本次地形匹配；若完全在地形匹配区域中，则执行(6)；(6)分别计算搜索区各高程序列和实测高程序列的平方差值，并比较各平方差值，得到地形匹配位置坐标；(7)根据实测高程序列起始坐标和地形匹配位置坐标对惯性导航系统的速度进行修正：7a)计算k时刻实测高程序列起始点位置坐标和k时刻地形匹配位置坐标的差值矩阵Zk： Z k = x I N S k - x T E R k y I N S k - y T E R k ]]>其中，k为大于0的自然数，为k时刻实测高程序列起始点位置的东向坐标值，为k时刻实测高程序列起始点位置的北向坐标值，为k时刻地形匹配位置的东向坐标值，为k时刻地形匹配位置的北向坐标值；7b)将差值矩阵Zk作为卡尔曼滤波器的测量值输入给卡尔曼滤波器，并输入卡尔曼滤波器均方误差矩阵初始值p0和卡尔曼滤波器状态估计值初始值进行卡尔曼滤波递推计算，输出卡尔曼滤波状态估计值7c)根据卡尔曼滤波器输出滤波速度状态估计值对惯性导航系统的速度进行修正，得到修正后的速度 v ^ = v + x ^ k , ]]>其中，v为前时刻惯性导航系统的速度,(·)T表示矩阵的转置。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术方法利用卡尔曼滤波器对惯性导航系统速度累积误差进行了修正，较好的抑制了由速度累积误差引起的地形匹配位置误差，从而提高了现有的地形轮廓匹配辅助导航方法的性能和稳定性。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细说明。图1是本专利技术的实现流程图；图2是分别使用现有地形轮廓匹配方法和本专利技术方法进行地形匹配后的航迹对比图；图3是分别使用现有地形轮廓匹配方法和本专利技术方法的速度变化曲线对比图。具体实施方式参照图1，本专利技术的基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，实现步骤如下：步骤1，读取当前惯性导航系统指示航行器所处位置的坐标，并确定该坐标在机载数字高程图中的位置。1a)在航行器航行的过程中实时的读取当前机载惯性导航系统指示航行器所处位置的坐标；1b)根据机载惯性导航系统指示的航行器位置坐标，在机载数字地形高程图中找到航行器的位置。步骤2，获取实测高程序列的起始坐标。根据步骤1在机载数字地形高程图中找到航行器所处位置的坐标，判断航行器是否在地形匹配本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，包括：(1)读取当前机载惯性导航系统指示的航行器位置坐标，根据此位置坐标，在机载数字地形高程图中找到当前航行器的位置；(2)判断航行器是否处在地形匹配区域中：若不在地形匹配区域中，则返回(1)；若处在地形匹配区域中，则调整航行器的航行姿态和速度v进行匀速直线航行，并把当前惯性导航系统指示位置的坐标作为实测高程序列的起始坐标；(3)根据实测高程序列的起始坐标，获取实测地形高程序列；(4)根据实测高程序列的起始坐标，构造地形匹配起始点搜索区；(5)判断地形起始点匹配搜索区是否完全在地形匹配区域中：若不完全在该地形匹配区域中，则不能进行本次地形匹配；若完全在地形匹配区域中，则执行(6)；(6)分别计算搜索区各高程序列和实测高程序列的平方差值，并比较各平方差值，得到地形匹配位置坐标；(7)根据实测高程序列起始坐标和地形匹配位置坐标对惯性导航系统的速度进行修正：7a)计算k时刻实测高程序列起始点位置坐标和k时刻地形匹配位置坐标的差值矩阵Zk：Zk=xINSk-xTERkyINSk-yTERk]]>其中，k为大于0的自然数，为k时刻实测高程序列起始点位置的东向坐标值，为k时刻实测高程序列起始点位置的北向坐标值，为k时刻地形匹配位置的东向坐标值，为k时刻地形匹配位置的北向坐标值；7b)将差值矩阵Zk作为卡尔曼滤波器的测量值输入给卡尔曼滤波器，并输入卡尔曼滤波器均方误差矩阵初始值p0和卡尔曼滤波器状态估计值初始值进行卡尔曼滤波递推计算，输出卡尔曼滤波速度状态估计值7c)根据卡尔曼滤波器输出滤波速度状态估计值对惯性导航系统的速度进行修正，得到修正后的速度v^=v+x^k,]]>其中，v为前时刻惯性导航系统的速度,(·)T表示矩阵的转置。...

【技术特征摘要】
1.基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，包括：(1)读取当前机载惯性导航系统指示的航行器位置坐标，根据此位置坐标，在机载数字地形高程图中找到当前航行器的位置；(2)判断航行器是否处在地形匹配区域中：若不在地形匹配区域中，则返回(1)；若处在地形匹配区域中，则调整航行器的航行姿态和速度v进行匀速直线航行，并把当前惯性导航系统指示位置的坐标作为实测高程序列的起始坐标；(3)根据实测高程序列的起始坐标，获取实测地形高程序列；(4)根据实测高程序列的起始坐标，构造地形匹配起始点搜索区；(5)判断地形起始点匹配搜索区是否完全在地形匹配区域中：若不完全在该地形匹配区域中，则不能进行本次地形匹配；若完全在地形匹配区域中，则执行(6)；(6)分别计算搜索区各高程序列和实测高程序列的平方差值，并比较各平方差值，得到地形匹配位置坐标；(7)根据实测高程序列起始坐标和地形匹配位置坐标对惯性导航系统的速度进行修正：7a)计算k时刻实测高程序列起始点位置坐标和k时刻地形匹配位置坐标的差值矩阵Zk： Z k = x I N S k - x T E R k y I N S k - y T E R k ]]>其中，k为大于0的自然数，为k时刻实测高程序列起始点位置的东向坐标值，为k时刻实测高程序列起始点位置的北向坐标值，为k时刻地形匹配位置的东向坐标值，为k时刻地形匹配位置的北向坐标值；7b)将差值矩阵Zk作为卡尔曼滤波器的测量值输入给卡尔曼滤波器，并输入卡尔曼滤波器均方误差矩阵初始值p0和卡尔曼滤波器状态估计值初始值进行卡尔曼滤波递推计算，输出卡尔曼滤波速度状态估计值7c)根据卡尔曼滤波器输出滤波速度状态估计值对惯性导航系统的速度进行修正，得到修正后的速度 v ^ = v + x ^ k , ]]>其中，v为前时刻惯性导航系统的速度,(·)T表示矩阵的转置。2.根据权利要求1所述的基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，其中步骤(3)中根据实测高程序列的起始坐标，获取实测地形高程序列，按如下步骤进行：3a)根据当前航行速度v和机载数字地形高程图网格距离d，计算高度采样时间间隔Δt： Δ t = d v ]]>3b)在航行器航行过程中，以实测高程序列的起始坐标为起始点，以Δt为时间间隔，依次读取i次雷达高度表实测航行器的离地高度组成离地高度序列Ha＝[r1,…,rm,…ri]，同时依次读取i次气压高度表实测航行器的海拔高度组成海拔高度序列Hb＝[l1,…,lm,…li]；其中rm为第m个离地高度测量值，lm为第m个海拔高度测量值，m为整数且1<m≤i，Ha和Hb分别为1×i维的矩阵；3c)根据雷达高度表实测航行器的离地高度序列Ha和气压高度表实测航行器的海拔高度序列Hb计算航行器航线下方实测高程序列ΔH：ΔH＝Hb-Ha＝[ΔH1,…,ΔHm,…ΔHi]，其中ΔHm为第m个地形高度测量值，m为整数且1<m≤i，i为实测高程序列矩阵中元素的总数，ΔH为1×i维的矩阵。3.根据权利要求1所述的基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，其中步骤(4)中根据实测高程序列的起始坐标，构造地形匹配起始点搜索区，是根据实测高程序列的起始坐标和当前设定惯性导航系统的东向位置误差估计值σx和北向位置误差估计值σy，构造匹配高程序列起始点的搜索区域，该匹配高程序列起始点的搜索区域是以实测高程序列的起始点坐标值为中心，长为6σx，宽为6σy的矩形区域。4.根据权利要求1所述的基于地形轮廓匹配的惯性导航系统速度累积误差修正方法，其中步骤(6)中分别计算搜索区各高程序列和实测高程序列的平方差值，并比较各平方差值，得到地形匹配位置坐标，按如下步骤进行：6a)以匹配高程序列起始点搜索区域中的各网格坐标为匹配高程序列起始点的坐标，然后沿航行器的速度方向依次在机载数字地形高程图中读取N×i个地形高程值hnm，其中，hnm为第n个匹配高程序列中第m个匹配地形高程值，n为整数且1<n≤N，N为匹配高程序列的总个数，m＝1,2,…,i，m为整数且1<m≤i，i为实测高程序列矩阵中元素的总数；6b)计算各匹配高程序列和实测高程序列的平方差值矩阵j：j＝[j1,…,jn,…,jN] j n = 1 i Σ m = 1 i | h n m - ΔH m | 2 ]]>其中，j为1×N维矩阵，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，万俊，张林让，杨慧婷，蒙妍，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，陕西长岭电子科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61