一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法技术

本发明专利技术提供一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法，采用的导航设备为格网惯导系统、多普勒计程仪和全球卫星定位系统，设计基于无重置联邦滤波器的多源信息融合导航算法，同时满足极区运载体高精度和高可靠性的导航需求。分别以格网系速度信息和ECEF系位置信息作为量测量建立惯导/多普勒和惯导/卫星两个子滤波器，经过信息分配计算出局部估计值，输入主滤波器进行信息融合，得到惯导姿态、速度、位置的全局误差估计并进行补偿。本发明专利技术不仅能够通过惯导/多普勒组合以及惯导/卫星组合抑制格网惯导积累的误差提高系统精度，还能够利用基于无重置联邦器的多源信息融合技术实现高容错性，达到同时实现极区导航系统的高精度和高可靠性的目的。

A Polar Multi-source Information Fusion Navigation Method Based on Federal Filtering

【技术实现步骤摘要】
一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法
本专利技术涉及极区内提高载体导航精度和可靠性的一种导航方法，尤其涉及一种基于联邦滤波的极区格网SINS/DVL/GNSS组合的多源信息融合导航方法。
技术介绍
为了解决极区高纬度地区经线收敛导致的定位定向问题，格网导航坐标系被常用于与极区惯性导航系统，作为极区运载体主要导航设备。与常规指北惯导系统类似，格网惯导系统也存在误差随着时间增加逐渐积累，以及多种固有周期性振荡误差的问题，不能长时间单独使用，需与其他导航设备组合采用信息融合技术以抑制导航误差，满足高精度和高可靠性的极区导航需求。采用基于联邦滤波的多源信息融合组合导航技术，以格网惯导(SINS)作为主要导航系统，多普勒计程仪(DVL)和卫星导航系统(GNSS)作为辅助导航系统，建立两个子滤波器和一个主滤波器，可以准确地估计出惯导的姿态、速度、位置误差并进行补偿，获得比单独使用任意系统时更高的导航性能，有效抑制导航误差，提高导航精度；同时，联邦滤波器的各子滤波器之间相互独立，互不影响，加之无重置联邦滤波器避免了反馈重置导致的故障系统对其它子滤波器的影响，降低了其对整个组合导航系统的影响，具有极高的容错性，提高了系统可靠性；因此，本专利技术方法同时实现极区高精度、高可靠性导航，综合提高系统性能，具有重要的工程应用价值。目前，实现在高纬度地区抑制格网惯导误差、提高导航精度，大多采用基于卡尔曼滤波的误差抑制方法或集中式卡尔曼滤波的多源信息融合技术，虽一定程度上提高了系统导航精度，但长期稳定性和可靠性难以保障。格网SINS和DVL组合可有效抑制极区惯导的误差，但其组合系统的定位误差仍呈发散趋势；格网SINS和GNSS组合可得到精确的位置信息，并有效抑制格网惯导系统的误差，但GNSS在高纬度地区多径效应明显且易受外界环境影响等特点，导致卫星定位信号质量较差，给系统的精度和可靠性均带来影响；因此，仅采用基于卡尔曼滤波的误差抑制方法不能满足极区导航的实际需求。另一方面，赵成龙在《基于格网坐标系的极区惯性导航与组合导航算法研究》一文中，采用了格网惯导/里程计/GNSS集中式滤波的导航方法，虽获得了更高的导航性能，实现了高精度的极区导航；但该方法无法隔离各子系统之间的联系及故障，容错性差，在极区极端环境下无法保证系统可靠性；因此，采用集中式卡尔曼滤波的多源信息融合技术不能满足极区导航的实际需求。综上所述，本专利技术方法采用基于联邦滤波的格网SINS/DVL/GNSS组合的多源信息融合导航方法，同时提高了导航系统的精度和可靠性，满足极区运载体长时间工作在极区环境中的导航需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法，一种有效地提高系统导航精度和可靠性的极区导航方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤如下：步骤一：选取极区格网惯导作为主导航系统，DVL和GNSS作为辅助导航系统，建立格网惯导的误差模型；步骤二：设计格网SINS/DVL组合和格网SINS/GNSS组合的两个子滤波器，并进行信息分配；其中，分别采用格网系下速度和地心地固坐标系的位置信息作为量测量，格网SINS的姿态、速度、ECEF系下的位置三组导航信息误差和陀螺漂移、加速度计零偏两组惯性器件误差作为系统状态量；通过局部滤波分别计算获得各子滤波器的局部状态量估计值和局部估计协方差阵；步骤三：将各子滤波器分别按照步骤二进行计算，得到的结果送入主滤波器，进行信息融合，建立无重置联邦滤波器，得到全局状态量估计值和全局估计协方差阵；步骤四：利用步骤三计算得到的结果对格网SINS输出的格网姿态、速度以及ECEF系下位置信息进行校正，使系统实时连续地输出校正后的极区高精度载体姿态、速度、位置信息，直至导航任务结束。本专利技术还包括这样一些结构特征：1.步骤二中的信息分配具体为：式中，β1、β2、β3分别表示SINS/DVL组合构成的第一子滤波器、SINS/GNSS组合构成的第二子滤波器和主滤波器的信息分配情况。2.步骤二中的局部滤波方案为：时间更新：量测更新：Pk＝(I-KkHk)Pk/k-1式中，Φk,k-1为一步转移阵，Γk-1为系统噪声驱动阵，Hk为量测阵，Qk为系统噪声协方差阵，Rk为量测噪声协方差阵，Zk为当前时刻的量测值，和Pk-1分别为上一时刻的状态量估计值和估计协方差阵，和Pk/k-1分别为一步预测的状态量估计值和估计协方差阵，和Pk分别为当前时刻的状态量估计值和估计协方差阵，即该滤波方案的输出为和Pk。3.步骤三中的信息融合具体为：式中，和Pi(i＝1,2)为当前时刻第一子滤波器和第二子滤波器的局部状态量估计值和局部估计协方差阵，和Pg为当前时刻的全局状态量估计值和全局估计协方差阵，即联邦滤波器输出为和Pg。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术创新地率先提出了一种将联邦滤波器应用于极区多元信息融合导航的方法，本专利技术充分结合了极区格网SINS、DVL和GNSS三种导航系统的优点，即格网惯导的自主性和不受外界干扰特性，DVL的稳定性和准确的速度测量特性，以及GNSS的高定位精度的特性，有效地提高了极区导航系统的精度；同时，系统以ECEF坐标系下的位置坐标对SINS进行误差建模，减小了格网系与指北系之间转换和GNSS输出信息向经纬度转换的误差，保证了系统精度更简化了该系统的操作；另一方面，利用无重置联邦滤波器模块化、高容错性等特点，解决了极区极端环境下导航系统信号不稳定导致的系统可靠性差的问题，同时保证了极区导航系统的高精度和高可靠性。不同于目前现有的极区导航方法，本专利技术同时提高了极区导航系统的精度和可靠性，更全面地提升了导航系统的综合性能，且具有计算量小、操作简单、容易设计实现的优势，特别适用于由众多非相似导航子系统构成的多源信息融合导航系统中，因此具有很高的工程应用价值。附图说明图1为本专利技术方法的步骤流程图；图2为本专利技术方法的联邦滤波结构框图；图3为格网SINS的姿态、速度、位置误差图；图4为格网SINS/DVL组合导航系统的姿态、速度、位置误差图；图5为格网SINS/DVL/GNSS联邦滤波组合导航系统的姿态、速度、位置误差图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术提出一种基于联邦滤波的极区组合导航方法，其系统结构如附图2所示，流程图如附图1所示，该方法的主要步骤如下：(1)运行格网惯性导航系统输出格网系下姿态、速度以及ECEF系下位置的导航信息，运行DVL计程仪输出载体速度信息，运行GNSS导航系统输出载体ECEF系下定位信息；(2)选取极区格网惯导作为主导航系统，建立格网惯导的误差模型，选取DVL和GNSS作为辅助导航系统；格网惯导误差模型为式中，C13＝CωeR+CωGRC23＝vG×(2CωeR+CωGR)其中，依次为格网SINS的姿态、速度、ECEF系下的位置三组导航信息误差和陀螺漂移、加速度计零偏两组惯性器件误差，和为陀螺仪和加速度计的白噪声误差；(3)设计格网SINS/DVL组合和格网SINS/GNSS组合的两个子滤波器；采用格网SINS的姿态、速度、ECEF系下的位置三组导航信息误差和陀螺漂移、加速度计零偏两组惯性器件误差作为系统的状态量，建立状态方程式中，X为系统的状态矢量，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：选取极区格网惯导作为主导航系统，DVL和GNSS作为辅助导航系统，建立格网惯导的误差模型；步骤二：设计格网SINS/DVL组合和格网SINS/GNSS组合的两个子滤波器，并进行信息分配；其中，分别采用格网系下速度和地心地固坐标系的位置信息作为量测量，格网SINS的姿态、速度、ECEF系下的位置三组导航信息误差和陀螺漂移、加速度计零偏两组惯性器件误差作为系统状态量；通过局部滤波分别计算获得各子滤波器的局部状态量估计值和局部估计协方差阵；步骤三：将各子滤波器分别按照步骤二进行计算，得到的结果送入主滤波器，进行信息融合，建立无重置联邦滤波器，得到全局状态量估计值和全局估计协方差阵；步骤四：利用步骤三计算得到的结果对格网SINS输出的格网姿态、速度以及ECEF系下位置信息进行校正，使系统实时连续地输出校正后的极区高精度载体姿态、速度、位置信息，直至导航任务结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法，其特征在于：步骤如下：步骤一：选取极区格网惯导作为主导航系统，DVL和GNSS作为辅助导航系统，建立格网惯导的误差模型；步骤二：设计格网SINS/DVL组合和格网SINS/GNSS组合的两个子滤波器，并进行信息分配；其中，分别采用格网系下速度和地心地固坐标系的位置信息作为量测量，格网SINS的姿态、速度、ECEF系下的位置三组导航信息误差和陀螺漂移、加速度计零偏两组惯性器件误差作为系统状态量；通过局部滤波分别计算获得各子滤波器的局部状态量估计值和局部估计协方差阵；步骤三：将各子滤波器分别按照步骤二进行计算，得到的结果送入主滤波器，进行信息融合，建立无重置联邦滤波器，得到全局状态量估计值和全局估计协方差阵；步骤四：利用步骤三计算得到的结果对格网SINS输出的格网姿态、速度以及ECEF系下位置信息进行校正，使系统实时连续地输出校正后的极区高精度载体姿态、速度、位置信息，直至导航任务结束。2.根据权利要求1所述的一种基于联邦滤波的极区多源信息融合导航方法，其特征在于：步骤二中的信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：许兆新，范睿恒，程建华，康瑛瑶，秦名赫，
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