一種應用磁強計提高導航系統(tǒng)航向精度的方法*

管 斌，李 濤，吳美平，王荔斌

(1.國防科技大學機電工程與自動化學院，湖南長沙410073;2.中國人民解放軍63999部隊，北京100094)

0 引言

低成本SINS/GPS組合導航系統(tǒng)具有體積小、成本低等優(yōu)點，可以應用于智能炮彈、制導炸彈、無人飛機、機器人等多種場合［1］。文獻［2］通過理論分析與仿真實驗說明了SINS/GPS組合導航系統(tǒng)中航向角誤差的可觀測性較差，當載體處于靜止或勻速運動狀態(tài)時，系統(tǒng)航向角誤差無法有效收斂。文獻［3］通過分段線性定常系統(tǒng)可觀測性分析理論對15維狀態(tài)的SINS/GPS組合導航濾波模型進行了可觀測分析，結(jié)果表明:靜止狀態(tài)下航向角誤差不可觀測。

文獻［4］提出了一種通過磁強計計算航向角并將之加入至系統(tǒng)的觀測量中，與三維位置觀測量構(gòu)成系統(tǒng)四維觀測量，從而構(gòu)成MIMU/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的方法，并通過可觀測性分析說明了將磁強計加入至系統(tǒng)后系統(tǒng)的所有狀態(tài)完全可觀測。

本文采用磁強計與低成本SINS/GPS構(gòu)成新的組合導航系統(tǒng)，利用SINS/GPS組合提供的水平姿態(tài)角與磁強計觀測量，采用磁羅盤原理計算得到航向角，并作為組合導航系統(tǒng)新的觀測量，以此改善航向角的可觀測性，從而提高組合導航系統(tǒng)的航向精度。首先建立了系統(tǒng)完整的濾波模型，通過多組仿真實驗對2種組合系統(tǒng)進行了對比，最后通過靜態(tài)實驗驗證了本方法的有效性。

1 組合導航系統(tǒng)模型

1.1 捷聯(lián)導航系統(tǒng)誤差模型

在低成本系統(tǒng)的前提條件下，對文獻［5］中所述捷聯(lián)導航系統(tǒng)誤差模型進行簡化，得到姿態(tài)誤差角方程

速度誤差方程

位置誤差方程

1.2 磁航向角的計算

通過SINS/GPS組合得到載體的橫滾角φ和俯仰角θ，利用磁強計的測量信息［X Y Z］可以得到地球的磁場水平分量Xh與，如式(4)所示

航向角可根據(jù)式(5)得到

其中，φM0為磁航向角，經(jīng)過磁偏角的修正后可以得到載體的航向角φM。

1.3 SINS/GPS組合濾波模型

選取量測向量為

由式(1)～式(3)與式(6)可以得到SINS/GPS組合濾波模型［7］

式中 W為6維狀態(tài)噪聲，由陀螺和加速度計噪聲構(gòu)成;V為6維觀測噪聲，由GPS觀測噪聲構(gòu)成

1.4 SINS/GPS/磁強計組合濾波模型

將SINS解算得到的航向角φI與磁羅盤所得航向角φM之差增加為濾波器的一維觀測量，即令量測向量為

由式(1)～式(3)與式(9)可以得到SINS/GPS/磁強計組合濾波模型

式中 狀態(tài)方程與模型(7)中狀態(tài)方程一致，且

2 仿真實驗分析

為了分析SINS/GPS組合系統(tǒng)的航向角誤差觀測時存在的相關(guān)問題，并驗證SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的有效性，在Simulink中對靜止與勻速運動狀態(tài)、正弦機動狀態(tài)和正弦機動轉(zhuǎn)勻速運動狀態(tài)下的2種組合系統(tǒng)進行了系統(tǒng)仿真和比較分析，仿真參數(shù)如表1所示。

2.1 靜止與勻速運動狀態(tài)系統(tǒng)仿真

對靜止與勻速運動狀態(tài)下的SINS/GPS組合系統(tǒng)與SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)進行仿真比較，系統(tǒng)姿態(tài)角誤差曲線如圖1所示(2種條件下結(jié)果一致，圖中虛線代表SINS/GPS組合系統(tǒng)，實線代表SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)，下同)。

由圖可得，靜止與勻速運動狀態(tài)下2種組合系統(tǒng)的水平姿態(tài)角誤差收斂效果一致，而SINS/GPS組合系統(tǒng)航向角誤差不可收斂，與文獻［2，3］中相關(guān)結(jié)論一致，SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的航向角誤差可收斂至較小范圍。仿真結(jié)果表明:在上述運動狀態(tài)下，將磁強計加入SINS/GPS組合系統(tǒng)后，系統(tǒng)的航向角誤差由不可收斂轉(zhuǎn)為可有效收斂，說明了該方法的可行性。

表1 仿真實驗參數(shù)設(shè)定表Tab 1 Experiment parameters sheet of simulation

圖1 靜止狀態(tài)姿態(tài)角誤差曲線Fig 1 Attitude angle error curve under stationary state

2.2 正弦機動狀態(tài)系統(tǒng)仿真

在正弦機動狀態(tài)下，對2種組合系統(tǒng)進行仿真比較，系統(tǒng)姿態(tài)角誤差曲線如圖2所示。由圖可得，在正弦機動狀態(tài)下SINS/GPS組合系統(tǒng)的航向角誤差可收斂，與文獻［8，9］相關(guān)結(jié)論一致，其收斂效果與機動的效果相關(guān)，本組實驗中航向角誤差在270s時收斂至1°以內(nèi);SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的航向角誤差收斂效果在正弦機動狀態(tài)下與靜止狀態(tài)下一致。仿真結(jié)果進一步說明了SINS/GPS組合系統(tǒng)在機動條件下姿態(tài)角誤差可觀測，而在靜止狀態(tài)與勻速運動狀態(tài)下不可觀測的問題，說明了SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的有效性。

圖2 正弦機動狀態(tài)姿態(tài)角誤差曲線Fig 2 Attitude angle error curve under sinusoidal movement

2.3 正弦機動轉(zhuǎn)勻速運動系統(tǒng)仿真

為了分析真實運動條件下SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的有效性，本文設(shè)計了600 s時長的仿真實驗，載體首先做正弦機動300s，然后勻速運動300s，此運動狀態(tài)下的姿態(tài)角誤差曲線如圖3所示。

圖3 正弦機動轉(zhuǎn)勻速運動時的姿態(tài)角誤差曲線Fig 3 Attitude angle error curve under sinusoidal mobile state turned to uniform motion

由圖可得，對SINS/GPS組合系統(tǒng)，機動300 s結(jié)束時的航向角誤差收斂至較小值，而當載體開始做勻速運動時，航向角誤差開始增大，勻速運動300 s的過程中，系統(tǒng)航向角誤差由1°變?yōu)?°;而對SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)，系統(tǒng)的航向角誤差始終收斂在0°附近。

仿真結(jié)果表明:對于SINS/GPS組合系統(tǒng)，大機動條件下系統(tǒng)的航向角誤差可以收斂至小角度，當系統(tǒng)重新開始做勻速運動后，航向角誤差開始發(fā)散;而SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)姿態(tài)角誤差一直收斂在較小角度;本實驗說明了，將磁強計應用于低成本SINS/GPS組合系統(tǒng)能夠提高系統(tǒng)航向角精度。

3 靜態(tài)實驗分析

為了進一步驗證本文所提方法在實際應用中的有效性，在仿真試驗的基礎(chǔ)上，利用某型系統(tǒng)進行靜態(tài)實驗，該系統(tǒng)所用器件的性能指標如表2所示。

表2 系統(tǒng)性能指標Tab 2 System property index

實驗方案:在有GPS信號的空曠環(huán)境下，將系統(tǒng)固定在穩(wěn)定的平臺上，系統(tǒng)上電并進行相關(guān)測試，確保 MIMU/GPS/磁強計輸出數(shù)據(jù)有效，待系統(tǒng)捕獲到足夠的GPS信號后開始記錄數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)10 min后系統(tǒng)下電。

利用所記錄數(shù)據(jù)進行離線處理，通過模型式(10)解算得到的姿態(tài)角誤差曲線如圖4所示。由圖可得，2種組合系統(tǒng)的水平姿態(tài)角誤差收斂效果一致，而SINS/GPS組合系統(tǒng)的航向角誤差發(fā)散，SINS/GPS/磁強計組合系統(tǒng)的航向角誤差有效收斂。該靜態(tài)實驗驗證了2.1節(jié)所做仿真實驗的正確性，說明了本文所提出應用磁強計提高低成本SINS/GPS組合導航系統(tǒng)航向精度方法的有效性。實驗結(jié)果表明:各狀態(tài)均收斂時姿態(tài)角誤差標準差為［0.064 6°0.0577°0.1955°］。

圖4 靜止狀態(tài)姿態(tài)角誤差曲線Fig 4 Attitude error under static state

4 結(jié)論

本文提出了一種應用磁強計提高低成本SINS/GPS組合導航系統(tǒng)航向精度的方法。給出了詳細的系統(tǒng)濾波模型的同時，對低成本設(shè)備參數(shù)條件下的SINS/GPS組合導航系統(tǒng)與SINS/GPS/磁強計組合導航系統(tǒng)進行了數(shù)字仿真實驗，仿真實驗表明:由于慣性器件精度較低，在靜止與勻速運動狀態(tài)下，SINS/GPS組合導航系統(tǒng)航向角誤差發(fā)散，而SINS/GPS/磁強計組合導航系統(tǒng)的航向角有效收斂。利用某型系統(tǒng)對本文方法在實際應用中有效性進行了驗證，靜態(tài)實驗表明:在傳感器精度較差的條件下，系統(tǒng)航向角誤差仍可以有效收斂;長時間實驗表明:系統(tǒng)收斂時的姿態(tài)角誤差和誤差的標準差均較小，說明了應用磁強計能夠提高低成本SINS/GPS組合導航系統(tǒng)航向精度。

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