全球导航卫星拒止条件下的鲁棒优化对准方法及航行器技术

本发明专利技术属于惯性导航系统初始对准技术领域，公开了一种全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法及航行器，利用投影统计算法对存储的异常速度进行准确辨识；通过观测矢量更新策略进行观测矢量更新：当多普勒计程仪输出的载体系速度受到非高斯噪声污染时，由惯性测量单元输出数据计算得到的观测矢量正常更新，由载体系测速数据计算得到的观测矢量不进行更新；当载体系测速正常时由惯性测量单元输出数据和载体系测速数据计算得到的观测矢量均正常更新；并进行优化对准。本发明专利技术智能地辨识异常速度并有效抑制不同类型非高斯噪声对捷联式惯导系统动态粗对准结果的影响，有效保持SINS在复杂环境中的动态粗对准性能。持SINS在复杂环境中的动态粗对准性能。持SINS在复杂环境中的动态粗对准性能。

【技术实现步骤摘要】
全球导航卫星拒止条件下的鲁棒优化对准方法及航行器


[0001]本专利技术属于惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)初始对准
，尤其涉及一种全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止条件下的鲁棒优化对准方法及水下航行器。

技术介绍

[0002]目前，为提高水下航行器(Underwater vehicle，UV)的快速反应能力，要求捷联式惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)在动态条件下实现初始对准，SINS动态粗对准作为初始对准的重要环节，成为近年来关注和研究的热点。现有技术1针对摇摆状态，提出了基于重力加速度信息的准动态对准方法，并取得了较好的效果；现有技术2在现有技术1的基础上，提出了一种适用于SINS运动基座的惯性系对准方法；现有技术3在SINS微分方程的基础上，通过构建不同时刻的连续观测矢量，将姿态确定问题转化为典型的Wahba问题，提出了优化对准方法(Optimisation
‑
Based Alignment，OBA)。但是，OBA属于解析式粗对准方法，不具备鲁棒性。针对多普勒计程仪(Doppler velocity log，DVL)输出速度易受野值等非高斯噪声污染以及OBA不具备鲁棒性的问题，现有技术4结合UV的运动特性，提出了一种基于速度门限检测的抗野值优化对准方法(ATOBA)，在外部辅助信息受野值污染的条件下，实现了OBA算法的鲁棒化。ATOBA虽然可以对高强度野值进行准确辨识，但在DVL测速受野值污染时刻的初始姿态阵等效于前一时刻的初始姿态阵，在一定程度上损失了观测矢量的有效信息。另外，ATOBA速度检测门限的选取过于依赖经验，因此难以对其他类型的非高斯噪声进行准确辨识。
[0003]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术对野值的检测手段过于依赖经验，且对其他类型的非高斯噪声不具备鲁棒性。
[0004]解决以上问题及缺陷的难度为：初始对准是SINS导航解算前的必经阶段，粗对准是初始对准的重要环节。在有GNSS条件下，运载体可以通过卫星定位测姿或卫星/惯导系统组合测姿获取准确的姿态信息。而在无GNSS信号的水下环境中，SINS初始姿态的确定尤其是动态条件下初始对准尤为困难，现有技术难以有效解决水下非高斯条件下SINS动态粗对准问题，且对DVL测速信息的检测手段也过于依赖经验。因此，在非高斯复杂条件下，设计SINS优化对准过程中的观测矢量和观测矩阵鲁棒更新策略，实现SINS鲁棒优化对准是难题和挑战。
[0005]解决以上问题及缺陷的意义为：GNSS拒止条件下的鲁棒优化对准方法(Robust OBA，ROBA)，对于提升运载体在非高斯复杂环境中的快速反应能力和机动能力具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种全球导航卫星系统GNSS拒止条件下的鲁棒优化对准方法、介质及水下航行器。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止条件下的鲁棒优化对准方法，包括：
[0008]在标准卡尔曼滤波(Kalman Filter，KF)框架下，利用PS算法对存储的异常载体系速度进行辨识；设计观测矢量鲁棒更新策略，利用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)及多普勒计程仪(Doppler Velocity Log，DVL)输出数据通过观测矢量鲁棒更新策略进行观测矢量更新，并进行优化对准。
[0009]进一步，所述观测矢量更新策略包括：
[0010]当载体系速度受到非高斯噪声污染时，由IMU输出数据计算得到的观测矢量正常更新，由载体系测速数据计算得到的观测矢量不进行更新；
[0011]当载体系测速正常时，由IMU输出数据和载体系测速数据计算得到的观测矢量均正常更新。
[0012]进一步，所述GNSS拒止条件下的鲁棒优化对准方法包括以下步骤：
[0013]步骤一，通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识；
[0014]步骤二，设计观测矢量及观测矩阵的更新策略，进行优化对准。
[0015]进一步，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识之前还需进行：
[0016]获取k时刻新息向量μ
k
：
[0017][0018]其中，z
k
示k时刻观测向量；H
k
表示k时刻观测矩阵；x
k
表示k时刻状态向量；F
k
表示k(k＝1,2,...)时刻状态转移矩阵。
[0019]进一步，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识包括：
[0020]采用PS算法对滑动窗内的Y＝[μ
k
‑
WL+1
,...,μ
k
‑1,μ
k
]的统计特性进行分析，判断μ
k
是否异常。
[0021]进一步，步骤一中，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识还包括：
[0022]根据PS算法计算出新息向量的PS值，并将PS值与统计门限进行比较，辨识得到异常的新息。
[0023]进一步，所述根据PS算法计算出新息向量的PS值，并将PS值与统计门限进行比较，辨识得到异常的新息包括：
[0024]满足PS值大于统计门限η的信息为异常新息，即PS＞η对应的DVL测速为异常速度。
[0025]进一步，所述统计门限η＝χ
n,α
，且服从自由度为n的卡方分布
[0026]进一步，步骤二，所述设计观测矢量及观测矩阵的更新策略包括：
[0027]当DVL输出速度对应的PS值大于统计门限η即PS＞η时，则DVL的输出受到野值污染；此时对应的观测矢量β
v,t
中的β
v,t,IMU
正常更新，β
v,t,DVL
不进行更新，并令β
v,t,DVL
等于β
v,t
‑
1,DVL
；观测矢量α
v,t
正常更新；观测矩阵K
t
正常更新；
[0028]当DVL输出k时刻速度对应的PS值小于等于统计门限η即PS≤η时，则DVL输出没有受到野值污染；此时对应的观测矢量β
v,t
正常更新；观测矢量α
v,t
正常更新；观测矩阵K
t
正常更新。
[0029]本专利技术的另一目的在于提供一种实施所述鲁棒优化对准方法的基于PS算法的鲁
棒优化对准控制系统；所述基于PS算法的鲁棒优化对准控制系统包括：
[0030]异常载体系速度辨识模块，用于在标准卡尔曼滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法包括：在标准卡尔曼滤波框架下，利用PS算法对存储的异常载体系速度进行辨识；设计观测矢量鲁棒更新策略，利用惯性测量单元及多普勒计程仪输出数据通过观测矢量鲁棒更新策略进行观测矢量更新，并进行优化对准。2.如权利要求1所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，所述观测矢量更新策略包括：当载体系速度受到非高斯噪声污染时，由惯性器件输出数据计算得到的观测矢量正常更新，由载体系测速数据计算得到的观测矢量不进行更新；当载体系测速正常时，由惯性器件输出数据和载体系测速数据计算得到的观测矢量均正常更新。3.如权利要求1所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法包括以下步骤：步骤一，通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识；步骤二，设计观测矢量及观测矩阵的更新策略，进行优化对准。4.如权利要求3所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识之前还需进行：获取k时刻新息向量μ
k
：其中，z
k
表示k时刻观测向量；H
k
表示k时刻观测矩阵；x
k
表示k时刻状态向量；F
k
表示k(k＝1,2,
…
)时刻状态转移矩阵。5.如权利要求3所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识包括：采用PS算法对滑动窗内的Y＝[μ
k
‑
WL+1
,...,μ
k
‑1,μ
k
]的统计特性进行分析，判断μ
k
是否异常。6.如权利要求3所述全球导航卫星系统拒止条件下的鲁棒优化对准方法，其特征在于，步骤一中，所述通过PS算法对滑动窗存储的异常新息向量进行辨识还包括：根据PS算法计算出新息向量的PS值，并将PS值与统计门限进...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱兵，李作虎，何泓洋，刘莹，李京书，
申请(专利权)人：中国卫星导航系统管理办公室，
类型：发明
国别省市：