一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法。本方法利用在運動過程中車體非完整性約束，通過平滑慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的側(cè)向和垂向速度累積，構(gòu)建卡爾曼濾波觀測方程，并利用卡爾曼濾波方程周期性計算出載車的導(dǎo)航參數(shù)誤差并修正導(dǎo)航參數(shù)，從而實現(xiàn)了利用車體非完整性約束慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主導(dǎo)航。本發(fā)明有效的解決了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)自主導(dǎo)航精度發(fā)散的問題，有效的保證了慣性定位定向設(shè)備的精度。該方法使用方便，無需增加額外輔助設(shè)備。
【專利說明】一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種慣性自主導(dǎo)航方法，特別是一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種直接利用慣性器件(陀螺儀和加速度計)的測量信息建立方向基準，并通過加速度信息自動完成解算，從而獲得載車瞬時速度和位置的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有完全自主的特點，被廣泛應(yīng)用于陸海空天領(lǐng)域。由于慣性器件存在隨機漂移，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有定向和定位誤差隨時間增長的特性。對于低精度器件(如MEMS)，其定位定向誤差隨時間增長的特性尤為明顯，因此很難用于自主導(dǎo)航定位。通常，采用外圍輔助設(shè)備和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差發(fā)散，實現(xiàn)導(dǎo)航定位的功能。
[0003]在載車運動條件下，采用低精度器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要與GPS、里程計、高程計等外部設(shè)備組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。外部設(shè)備可以通過載車速度或位置等信息，建立慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在運動條件下的誤差模型，采用卡爾曼濾波器實現(xiàn)對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航信息誤差的補償。這種方法有效解決了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差發(fā)散的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的定位定向。但是這也破壞了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完全自主的特點，同時當外圍設(shè)備故障或無法工作時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還存在誤差發(fā)散的問題，這些問題導(dǎo)致采用低精度器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在運動條件下無法實現(xiàn)自主導(dǎo)航。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法，解決由于采用低精度器件的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在運動條件下無法自主導(dǎo)航的問題。
[0005]一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法，其具體步驟為:
第一步構(gòu)建利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)
利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括:三軸硅微陀螺儀、三軸硅微加速度計、導(dǎo)航計算機、慣性導(dǎo)航解算模塊、導(dǎo)航修正模塊和通訊模塊。三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計分別與導(dǎo)航計算機實現(xiàn)SPI總線連接。慣性導(dǎo)航解算模塊、導(dǎo)航修正模塊和通訊模塊分別置于導(dǎo)航計算機中。
[0006]慣性導(dǎo)航解算模塊用于利用采集的角速率和加速度通過數(shù)學運算得到載體在地理坐標系內(nèi)的姿態(tài)、速度和位置。
[0007]導(dǎo)航修正模塊用于利用車體非完整性約束構(gòu)建觀測方程，采用卡爾曼濾波方程周期性修正利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)，即載車的姿態(tài)、速度和位置。
[0008]通訊模塊用于利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集和通τΗ ο[0009]第二步慣性導(dǎo)航解算模塊對導(dǎo)航參數(shù)初始化
載車靜止條件下，慣性導(dǎo)航解算模塊接收來自三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的數(shù)據(jù)，對三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的零偏進行補償，同時接收預(yù)存信息完成對慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)、速度和位置信息的初始化。
[0010]第三步慣性導(dǎo)航解算模塊進行導(dǎo)航解算
載車啟動后，慣性導(dǎo)航解算模塊接收三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的數(shù)據(jù)，計算出載車在地理坐標系內(nèi)的姿態(tài)、速度和位置。
[0011]第四步導(dǎo)航修正模塊進行修正準備
導(dǎo)航修正模塊接收導(dǎo)航解算模塊輸出的速度，并利用姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣將接收到的速度轉(zhuǎn)換為車體的側(cè)向速度和垂向速度。
[0012]轉(zhuǎn)換公式為
【權(quán)利要求】
1.一種利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航方法，其特征在于具體步驟為: 第一步構(gòu)建利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng) 利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)，包括:三軸硅微陀螺儀、三軸硅微加速度計、導(dǎo)航計算機、慣性導(dǎo)航解算模塊、導(dǎo)航修正模塊和通訊模塊；三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計分別與導(dǎo)航計算機實現(xiàn)SPI總線連接；慣性導(dǎo)航解算模塊、導(dǎo)航修正模塊和通訊模塊分別置于導(dǎo)航計算機中； 慣性導(dǎo)航解算模塊用于利用采集的角速率和加速度通過數(shù)學運算得到載體在地理坐標系內(nèi)的姿態(tài)、速度和位置； 導(dǎo)航修正模塊用于利用車體非完整性約束構(gòu)建觀測方程，采用卡爾曼濾波方程周期性修正利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)，即載車的姿態(tài)、速度和位置； 通訊模塊用于利用車體非完整性約束的慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集和通訊； 第二步慣性導(dǎo)航解算模塊對導(dǎo)航參數(shù)初始化 載車靜止條件下，慣性導(dǎo)航解算模塊接收來自三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的數(shù)據(jù)，對三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的零偏進行補償，同時接收預(yù)存信息完成對慣性自主導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)、速度和位置信息的初始化； 第三步慣性導(dǎo)航解算模塊進行導(dǎo)航解算 載車啟動后，慣性導(dǎo)航解算模塊接收三軸硅微陀螺儀和三軸硅微加速度計的數(shù)據(jù)，計算出載車在地理坐標系內(nèi)的姿態(tài)、速度和位置； 第四步導(dǎo)航修正模塊進行修正準備 導(dǎo)航修正模塊接收導(dǎo)航解算模塊輸出的速度，并利用姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣將接收到的速度轉(zhuǎn)換為車體的側(cè)向速度和垂向速度； 轉(zhuǎn)換公式為:
【文檔編號】G01C21/20GK103712620SQ201310609301
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】高文劭 申請人:北京機械設(shè)備研究所