一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统及导航方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统及导航方法，其中，所述系统包括GPS接收机、惯性导航子系统、和滤波器，其中，所述滤波器包括空间模块、SDRE分解模块、离散化处理模块和强跟踪滤波模块，并且，所述强跟踪滤波模块又包括初始化模块、一步预测子模块、增益矩阵获得子模块、实际状态估计子模块和误差方差阵更新子模块。所述方法包括以下步骤：先进行SDRE分解，然后进行离散化处理，最后进行强跟踪滤波，得到组合导航数据，并进行数据输出。本发明专利技术所述的系统和方法引入了自适应渐消因子，能够进行准确滤波，得到精确的导航数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及导航领域，尤其涉及组合导航系统及导航方法，特别地，涉及一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统及导航方法。
技术介绍
基于GPS技术和惯性导航的组合导航已被广泛应用于军民诸多领域，该技术对GPS定位数据和惯性导航定位数据进行估计、修正、融合，从而达到优势互补以提高载体导航定位精度的目的。在GPS和惯性导航组合导航中以导航参数作为估计对象，可直观描述导航参数的动态变化过程，准确反映真实状态的演变情况。在组合导航系统中，实际系统总是存在不同程度的非线性。同时，实际系统还存在高斯或非高斯的随机噪声干扰。在这种情况下，对非线性系统进行有效甚至最优状态估计十分重要，需要采用非线性滤波技术。在面对非线性系统时，一般采用扩展卡尔曼滤波(EKF)进行处理。但这种方法具有高阶截断误差，并且必须求解系统的Jacobian矩阵，同时还存在着强非线性系统下失去滤波稳定性的可能。滤波技术的基础是建立准确的模型，如果系统模型不精确，会影响滤波精度。
技术实现思路
为了克服上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，使用GPS接收机、惯性导航(INS)子系统(简称惯导系统)组成组合导航系统，其次使用SDRE技术处理滤波模型，用残差序列处处正交的原理设计滤波器，设计出一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统及导航方法，这样，可以得到高精度的位置和速度信息，实现精确的组合导航，从而完成本专利技术。本专利技术一方面提供了一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统，其中，所述系统包括GPS接收机1、惯性导航子系统2、和滤波器3，其中，所述滤波器3包括空间模块31、SDRE分解模块32、离散化处理模块33、和强跟踪滤波模块34，并且，所述强跟踪滤波模块34包括初始化模块340、一步预测子模块341、增益矩阵获得子模块342、实际状态估计子模块343和误差方差阵更新子模块344。本专利技术另一方面提供了一种基于强跟踪SDRE滤波的导航方法，优选利用本专利技术第一方面所述系统进行，其中，所述方法包括以下步骤：步骤1、利用SDRE分解模块32对空间模块31内的状态空间和量测空间进行状态相关分解，分别得到状态分解空间和量测分解空间；步骤2、利用离散化处理模块33对SDRE分解模块32内的状态分解空间和量测分解空间进行离散化处理，分别得到状态离散空间和量测离散空间；步骤3、利用强跟踪滤波模块34对离散化处理模块33内的状态离散空间和量测离散空间进行强跟踪滤波处理，得到组合导航数据，并进行数据输出。附图说明图1示出本专利技术所述组合导航系统的结构示意图；图2示出本专利技术所述组合导航方法的流程图；图3示出在实验例中飞行器所做的运动轨迹；图4a示出利用实施例和对比例所述方法得到的在东向的位置误差；图4b示出利用实施例和对比例所述方法得到的在北向的位置误差；图4c示出利用实施例和对比例所述方法得到的在天向的位置误差；图5a示出利用实施例和对比例所述方法得到的在东向的速度误差；图5b示出利用实施例和对比例所述方法得到的在北向的速度误差；图5c示出利用实施例和对比例所述方法得到的在天向的速度误差。附图标记1-GPS接收机；2-惯性导航子系统；21-加速度计；22-陀螺仪；3-滤波器；31-空间模块；32-SDRE分解模块；33-离散化处理模块；34-强跟踪滤波模块；340-初始化模块；341-一步预测子模块；342-增益矩阵获得子模块；343-实际状态估计子模块；344-误差方差阵更新子模块。具体实施方式下面通过附图对本专利技术进一步详细说明。通过这些说明，本专利技术的特点和优点将变得更为清楚明确。本专利技术一方面提供了一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统，所述导航系统包括GPS接收机1、惯性导航子系统2和滤波器3。其中，所述GPS接收机1用于输出通过GPS技术得到的当前地理位置和当前速度信息；所述惯性导航子系统2包括加速度计21和陀螺仪22，用于检测并输出通过惯性导航技术得到的当前地理位置、当前速度和当前姿态角信息；所述滤波器3用于对GPS接收机1和惯性导航子系统2输出的数据进行数据处理，得到组合导航信息并进行输出。根据本专利技术一种优选的实施方式，所述滤波器3包括空间模块31、SDRE分解模块32、离散化处理模块33和强跟踪滤波模块34。在进一步优选的实施方式中，在所述空间模块31内集成有状态空间和量测空间。在更进一步优选的实施方式中，所述状态空间和量测空间分别如式(31-1)和式(31-2)所示：z＝h(x)+V式(31-2)其中，在式(31-1)中：其中，φe、φn和φu分别为数学平台误差角，实时进行更新；ve、vn和vu分别为载体的东向、北向、天向的速度；λ和h分别为载体所在的纬度，经度和高度；εe、εn和εu分别为陀螺仪常值漂移，Δe、Δn和Δu分别为加速度计常值漂移；其中，和分别表示陀螺仪在东向、北向和天向的随机误差，和分别表示加速度计在东向、北向和天向的随机误差；其中，所述随机误差即为系统噪声；G为系统噪声转移矩阵，其中，其中，I表示单位矩阵。根据本专利技术一种优选的实施方式，如式(31-2)所示的状态空间如下建立：以地理系(东、北、天)为导航解算的基本坐标系，考虑飞行高度h，并假设地球为椭球体，惯性导航(INS)状态方程如下：(1)指北惯性导航系统姿态误差角方程：其中，在式(31-1-1)～式(31-1-3)中，RM是当地子午面内主曲率半径；RN是卯酉面内主曲率半径；ωie是地球自转角速率；λ和h分别为惯导系统(INS)测得的载体所在的纬度、经度和高度；φe、φn和φe为数学平台误差角；ve、vn和vu分别为惯导系统(INS)测得的载体的东向、北向和天向的速度；εe、εn和εu分别为陀螺仪在东向、北向和天向的常值漂移；δve为惯导系统(INS)所测的东向速度与GPS接收机所测的东向速度之差，δvn为惯导系统(INS)所测的东向速度与GPS接收机所测的北向速度之差；为惯导系统(INS)所测的纬度与GPS接收机所测的纬度之差，δh为惯导系统(INS)所测的高度与GPS接收机所测的高度之差。其中，地球长半径Re＝6378245，地球扁率e＝1/298.257。(2)速度方程为：其中，在式(31-1-4)～式(31-1-6)中，fe、fn和fu分别为加速度计的测量值在东向、北向和天向三个方向的加速度分量；Δe、Δn和Δu为加速度计在东向、北向和天向的常值漂移。(3)位置方程：(4)惯性元件误差方程：假设惯性元件的误差是常值噪声，则其误差方程为：在进一步优选的实施方式中，将上述(1)所述的指北惯性导航系统姿态误差角方程、上述(2)所述的速度方程、上述(3)所述的位置方程以及上述(4)所述的惯性元件误差方程联立起来，取15阶状态变量：即可得到如式(31-1)所示的状态空间，其中，f(x)为对应的式(31-1-1)～式(31-1-9)所示的9个基本导航参数方程和式(31-1-10)与式(31-1-11)所示的惯性元件误差方程。根据本专利技术一种优选的实施方式，在式(31-2)中：量测信息z＝[vge,vgn,vgu,pge,pgn,pgu]T，其中，vge表示GPS接收机测得的载体在东向的速度，vgn表示GPS接收机测得的载体在北向的速度，vgu表示GPS接收机测得的载体在天向的速度，p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统，其特征在于，所述系统包括GPS接收机(1)，用于输出通过GPS技术得到的当前地理位置和当前速度信息；惯性导航子系统(2)，其包括加速度计(21)和陀螺仪(22)，用于检测并输出通过惯性导航技术得到的当前地理位置、当前速度和当前姿态角信息；和滤波器(3)，用于对GPS接收机(1)和惯性导航子系统(2)输出的数据进行数据处理，得到组合导航信息并进行输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于强跟踪SDRE滤波的组合导航系统，其特征在于，所述系统包括GPS接收机(1)，用于输出通过GPS技术得到的当前地理位置和当前速度信息；惯性导航子系统(2)，其包括加速度计(21)和陀螺仪(22)，用于检测并输出通过惯性导航技术得到的当前地理位置、当前速度和当前姿态角信息；和滤波器(3)，用于对GPS接收机(1)和惯性导航子系统(2)输出的数据进行数据处理，得到组合导航信息并进行输出。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波器(3)包括空间模块(31)，在其内集成有状态空间和量测空间；SDRE分解模块(32)，用于对空间模块(31)内的状态空间和量测空间进行状态相关分解，分别得到状态分解空间和量测分解空间；离散化处理模块(33)，用于对SDRE分解模块(32)内的状态分解空间和量测分解空间进行离散化处理，分别得到状态离散空间和量测离散空间；和强跟踪滤波模块(34)，用于对离散化处理模块(33)内的状态离散空间和量测离散空间进行强跟踪滤波处理，得到组合导航信息。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述状态空间和量测空间分别如式(31-1)和式(31-2)所示：z＝h(x)+V式(31-2)；其中，在式(31-1)中：其为惯性导航子系统所检测的数据，其中，φe、φn和φu分别为数学平台误差角，实时进行更新；ve、vn和vu分别为惯性导航子系统测得的东向、北向、天向的速度；λ和h分别为惯性导航子系统测得的纬度、经度和高度；εe、εn和εu分别为陀螺仪常值漂移，Δe、Δn和Δu分别为加速度计常值漂移；其中，和分别表示陀螺仪在东向、北向和天向的随机误差，和分别表示加速度计在东向、北向和天向的随机误差；其中，所述随机误差即为系统噪声；G为系统噪声转移矩阵其中，I表示单位矩阵；在式(31-2)中：z＝[vge,vgn,vgu,pge,pgn,pgu]T，其表示GPS接收机检测的数据，其中，vge表示GPS接收机测得的载体在东向的速度，vgn表示GPS接收机测得的载体在北向的速度，vgu表示GPS接收机测得的载体在天向的速度，pge表示GPS接收机测得的载体在东向的位置，pgn表示GPS接收机测得的载体在北向的位置，pgu表示GPS接收机测得的载体在天向的位置；V为量测噪声，V＝[Vvge,Vvgn,Vvgu,Vpge,Vpgn,Vpgu]T，其中，Vvge表示GPS接收机测得的载体在东向速度的随机误差，Vvgn表示GPS接收机测得的载体在北向速度的随机误差，Vvgu表示GPS接收机测得的载体在天向速度的随机误差，Ppge表示GPS接收机测得的载体在东向位置的随机误差，Ppgn表示GPS接收机测得的载体在北向位置的随机误差，Ppgu表示GPS接收机测得的载体在天向位置的随机误差。4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述状态分解空间和量测分解空间分别如式(32-1)和式(32-2)所示:z＝Hx+V式(32-2)；其中，在式(32-1)中，F(x)为状态转移矩阵，和/或所述状态离散空间和量测离散空间分别如式(33-1)和式(33-2)所示：xk+1＝Φk+1/kxk+Γkwk式(33-1)，zk+1＝Θk+1xk+1+Vk+1式(33-2)；其中，Φk+1/k是离散后的状态转移矩阵，Гk是离散后的噪声转移矩阵，Θk+1是离散后的量测矩阵。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述强跟踪滤波模块(34)包括一步预测子模块(341)，用于进行状态的一步预测和误差方差阵的一步预测，分别得到和Pk+1/k；增益矩阵获得子模块(342)，用于利用Pk+1/k获得k+1时刻的增益矩阵，以Kk+1表示；实际状态估计子模块(343)，用于利用和Kk+1获得k+1时刻的实际状态估计值，以xk+1表示；误差方差阵更新子模块(344)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵良玉，任珊珊，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11