一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法技术

本发明专利技术提出了一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，利用全源弹性PNT服务体系的导航定位系统概念框架，以无人飞行器平台应用的全源弹性PNT导航定位系统为对象，以精确SINS子系统为核心，以多源BeiDou导航系统、磁力计等导航设备设计全源弹性PNT组合导航系统姿态旋转和平移运动非线性弹性观测器方程，把多源导航设备数据构建融合为系统模型方程的注入项算子和弹性修正函数，提出新型全源弹性PNT导航定位系统的级联式非线性姿态‑平移运动弹性观测器理论与算法解决方案，满足无人飞行器运动对象的复杂应用环境下全源弹性PNT组合导航定位系统快速精确计算的技术性能要求，有效改善系统状态向量参数的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法
本专利技术属于航空航天航海领域的导航定位授时(Positioning、NaviagtionandTiming，PNT)服务中的系统信息处理
，特别是指一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法。
技术介绍
无人机导航定位主要有惯性导航系统(Inertialnavigationsystem,SINS)，为运载体提供位置、速度和姿态数据信息，目前采用最多的是捷联(Strip)惯性导航系统(SINS)，利用三轴加速度计和陀螺仪传感器；全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)，包括我国的BeiDou导航系统，美国GPS系统和Galileo系统等，GNSS以导航卫星为基站，能够提供精确的三维位置、速度和时间信息，但是存在着GNSS信号被遮蔽或者人为干扰等缺陷，同时SINS系统存在着导航误差会随时间累积，惯性器件精度受到工艺水平和成本限制，普通精度纯惯导系统不能满足长航时导航应用要求。很明显目前单一导航方式难以满足运载体高精度长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一、根据BeiDou/SINS组合导航系统多源传感器配置，设计松组合模式无人机载体有界姿态模型方程，并根据多源传感器中磁力计传感设备测量的数据计算注入项算子，根据多源传感器中陀螺仪测量的数据计算陀螺仪偏差；/n步骤二、分别对注入项算子和陀螺仪偏差进行离散化计算，根据注入项算子和陀螺仪偏差的离散化结果对松组合模式无人机载体有界姿态模型方程进行离散化计算；/n步骤三、构建BeiDou接收机位置和速度测量误差模型，并引入辅助向量构建BeiDou/SINS组合导航系统的无人机平移运动观测器模型；/n步骤四、根...

【技术特征摘要】
1.一种全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一、根据BeiDou/SINS组合导航系统多源传感器配置，设计松组合模式无人机载体有界姿态模型方程，并根据多源传感器中磁力计传感设备测量的数据计算注入项算子，根据多源传感器中陀螺仪测量的数据计算陀螺仪偏差；
步骤二、分别对注入项算子和陀螺仪偏差进行离散化计算，根据注入项算子和陀螺仪偏差的离散化结果对松组合模式无人机载体有界姿态模型方程进行离散化计算；
步骤三、构建BeiDou接收机位置和速度测量误差模型，并引入辅助向量构建BeiDou/SINS组合导航系统的无人机平移运动观测器模型；
步骤四、根据BeiDou/SINS组合导航系统的无人机平移运动观测器模型构建BeiDou/SINS组合导航系统的连续线性系统模型，并将BeiDou/SINS组合导航系统的连续线性系统模型转化为平移运动观测器的LTV模型；
步骤五、根据平移运动观测器的LTV模型预测平移运动观测器的LTV模型系统状态变量的预测值；
步骤六、根据平移运动观测器的LTV模型系统状态变量的预测值对平移运动观测器的LTV模型系统状态变量进行更新。


2.根据权利要求1所述的全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，所述松组合模式无人机载体有界姿态模型方程为：



其中，表示载体坐标系相对于ECEF系的旋转四元数微分，表示无人机从载体坐标系b到ECEF系的旋转姿态，表示陀螺仪测量角速度，表示陀螺仪偏差，表示扩展注入项算子，表示地球自转角速度ωie的四维扩展向量，表示陀螺仪偏差随机游走量，表示陀螺仪测量偏差，表示注入项算子，表示陀螺仪偏差定界值，Proj(·)表示投影模型，表示比力测量值，表示旋转矩阵，表示饱和算子，κ1表示陀螺仪角速率偏差估计弹性增益系数，κ2表示注入项算子的各个观测/参考矢量对的弹性比例系数，表示载体系下的磁力计测量，me表示地球磁场参考矢量，表示加速度计的比力矢量；
分别对比力测量值加速度计的比力矢量载体系下的磁力计测量值地球磁场参考矢量me进行规范化计算，得到：



其中，fb表示载体系下的规范化比力，fe表示ECEF系下的规范化测量比力，mb表示载体系下的规范化磁力计测量值，me表示ECEF系下的规范化磁力计测量值；
注入项算子的规范化形式为：





3.根据权利要求2所述的全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，所述对注入项算子进行离散化计算的方法为：



若i＝1，执行计算，



否则，
若i＝2，执行计算，



否则，
其中，δtacc表示加速度计可用时的采样时间间隔，δtmag表示磁力计可用时的采样时间间隔，T表示积分间隔，表示k时刻的总的注入项算子，表示k时刻的比力计算的注入项部分，表示k时刻的磁力计测量的注入项部分，k1(k)表示k时刻的增益系数，fb(k)表示k时刻的载体系下的比力规范值，表示k-1时刻的四元数表述的旋转矩阵，fe(k)表示ECEF系下的k时刻的比力规范化值，k表示时刻，mb(k)表示载体系下的k时刻的磁力计规范化测量值，me(k)表示ECEF系下的k时刻的磁力计规范化测量值；
所述对陀螺仪偏差进行离散化计算的方法为：
将陀螺仪偏差的投影模型转化为：



其中，表示注入项最小化取值算子，Mb是陀螺仪测量角速率偏差的上界，则陀螺仪偏差的离散化表达式为：



其中，表示k时刻的陀螺仪偏差计算值，表示k-1时刻的陀螺仪偏差计算值，κ1(k)表示k时刻的陀螺仪偏差计算的增益系数，I3表示3维单位向量。


4.根据权利要求3所述的全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，所述根据注入项算子和陀螺仪偏差的离散化结果对松组合模式无人机载体有界姿态模型方程进行离散化计算的方法为：



其中，表示斜对称矩阵的指数计算，表示负斜对称矩阵的指数计算，表示k时刻的计算角速度，表示k时刻的角速度，表示角速度，表示地球自转角速度，表示k-1时刻的角速度，I4表示4维单位阵，sinc()表示反正弦函数。


5.根据权利要求1所述的全源BeiDou/SINS弹性状态观测器模型设计方法，其特征在于，所述BeiDou接收机位置和速度测量误差模型为：






其中，表示BeiDou接收机位置向量微分，zp表示BeiDou接收机位置向量，Fp表示位置向量转移矩阵，Gp表示位...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁国强，凌丹，赵朋朋，娄泰山，张焕龙，赵素娜，王晓雷，王妍，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41