車載SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的在線標(biāo)定算法

白俊卿，衛(wèi)育新

（中國航天科技集團(tuán) 第16研究所，陜西 西安 710100）

對于激光陀螺捷聯(lián)式組合導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，影響系統(tǒng)精度的主要誤差源有：慣性器件的刻度系數(shù)誤差、零位誤差及軸安裝不對準(zhǔn)角等。為了確保系統(tǒng)的對準(zhǔn)和導(dǎo)航精度，必須利用精密轉(zhuǎn)臺對以上誤差源進(jìn)行精確標(biāo)定，并通過系統(tǒng)軟件加以補(bǔ)償。

一般情況下，在完成系統(tǒng)標(biāo)定后，若不對陀螺、加速度計進(jìn)行重新拆裝，則陀螺和加速度計的安裝偏角基本保持不變。但陀螺漂移和加速度計零位卻存在逐次啟動不重復(fù)性誤差，尤其是經(jīng)過較長時間后，相對于標(biāo)定值將產(chǎn)生很大差異，使系統(tǒng)無法滿足對準(zhǔn)、導(dǎo)航精度要求。為了解決這個問題，通常每隔幾個月將慣導(dǎo)系統(tǒng)從運(yùn)載體上拆卸下來，并安裝到轉(zhuǎn)臺上，重新標(biāo)定陀螺漂移和加計零位以改善系統(tǒng)性能。顯然，這種處理方法在實際使用和維護(hù)中比較繁瑣。

為改善這種狀況并且達(dá)到延長定期標(biāo)定周期的目的[2]，提出組合導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)誤差項在線標(biāo)定算法。該算法依據(jù)GPS高精度的位置、速度信息和捷聯(lián)系統(tǒng)本身導(dǎo)航輸出結(jié)果之間的差異，以捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置速度解算作為濾波器的觀測量，將慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本誤差項與加計的零偏、刻度因子誤差以及陀螺的常值漂移誤差作為狀態(tài)量，認(rèn)為GPS定位誤差是零均值的白噪聲，通過相應(yīng)的估計方法估算捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差和器件誤差，從而實現(xiàn)對組合導(dǎo)航系統(tǒng)常值誤差項的補(bǔ)償。

1 在線標(biāo)定算法

1.1 坐標(biāo)系定義

本文定義i系為地心慣性坐標(biāo)系，e系為地球坐標(biāo)系，n系為導(dǎo)航坐標(biāo)系即東—北—天坐標(biāo)系，b系為載體坐標(biāo)系即右—前—上坐標(biāo)系。

1.2 卡爾曼濾波器的設(shè)計

對于車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)，在定期標(biāo)定周期內(nèi)認(rèn)為系統(tǒng)的安裝誤差不發(fā)生變化，標(biāo)定的主要對象是慣性器件刻度系數(shù)誤差及常值誤差項。

因此這里的卡爾曼濾波選取[3-4]系統(tǒng)誤差項以及陀螺、加計常值誤差和加計的刻度系數(shù)誤差作為濾波狀態(tài)量，共14維。

獲取濾波觀測量，選取量測向量為：

卡爾曼濾波的基本方程[5]為：

式中，H（t）中的非零元為：H（1，6）=1，H（2，7）=1，H（3，4）=1，H（4，5）=1；W（t）、V（t）均為高斯白噪聲。

2 仿真驗證及分析

2.1 路徑設(shè)計[6]

對所設(shè)計的SINS/GPS濾波器進(jìn)行1 200 s仿真，具體路徑描述如下：0～100 s，車體靜止，位置為（108.91，34.245）；101～310 s，車體向北加速到10 m/s，載體軸向加速度為1 m/s2，并以10 m/s的速度北向運(yùn)動到 310 s，此時的位置為（108.91，34.265）；311～500 s，車體從311 s開始向東轉(zhuǎn)彎，同時東向開始加速到10 m/s，載體軸向加速度為1 m/s2，北向速度減為0，車體以10 m/s的速度東向運(yùn)動到500 s；501～1 200 s，車體從501 s開始向北轉(zhuǎn)彎，同時北向開始加速到10 m/s，載體軸向加速度為1 m/s2，東向速度減為零，車體以10 m/s的速度北向運(yùn)動到1 200 s。

2.2 仿真結(jié)果

通過編寫軌跡發(fā)生器、捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法對車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在線標(biāo)定算法進(jìn)行仿真，其各項具體仿真結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 陀螺常值漂移估計誤差

圖2 各軸加計零偏估計誤差

2.3 仿真結(jié)果分析

分析卡爾曼濾波仿真估計結(jié)果可以得到：

1）車體進(jìn)行水平加速度運(yùn)動時，水平姿態(tài)誤差開始收斂，且估計效果與加速度大小和持續(xù)時間有關(guān)。在車體各軸存在加速度輸入時，加計的刻度系數(shù)誤差可估。

2）車體存在一定水平加速度時，相應(yīng)軸加計零位開始收斂，由于從陀螺漂移到速度誤差需經(jīng)過兩次積分，所以使用速度位置量測對于陀螺漂移估計速度較慢，尤其是天向陀螺。

圖3 各軸加計刻度固子估計誤差

3）由于使用速度觀測，速度誤差可快速精確估計，從慣導(dǎo)系統(tǒng)原理也能得到姿態(tài)誤差較易得到的結(jié)論，但是對于其他誤差估計一般較慢。

3 結(jié)論

通過仿真分析，驗證車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在線標(biāo)定算法的可行性。這種方法依靠車輛正常的行駛過程基本估計出相關(guān)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差量，但還存在一些需要改進(jìn)的地方，在提高導(dǎo)航精度的濾波方法以及實用性、快速性、便利性等方面，還可考慮用SINS/GPS/OD聯(lián)邦濾波或自適應(yīng)濾波實現(xiàn)。

[1]陸志東，王 磊.捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的空中標(biāo)定方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2007，4（2）：136-138.

[2]林玉榮，鄧正隆.激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中慣性器件誤差的系統(tǒng)級標(biāo)定[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，33（1）：34-36.

[3]秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[4]張樹俠，孫 靜.捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[5]秦永元，張洪鉞，汪叔華.卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998：33-50.

[6]嚴(yán)恭敏.車載自主定位定向系統(tǒng)的研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004.