機載武器SINS/BDS組合導(dǎo)航自適應(yīng)濾波算法研究

程海彬

摘要： 對適用于機載武器的組合導(dǎo)航算法展開研究， 給出了SINS/BDS組合導(dǎo)航狀態(tài)方程， 推導(dǎo)了以偽距、 偽距率作為觀測量的觀測方程。 針對傳統(tǒng)卡爾曼濾波算法在測量噪聲不確定的情況下使用存在缺陷的問題， 研究了新的噪聲自適應(yīng)調(diào)整濾波與殘差故障檢測算法。 對新算法進行了軟件設(shè)計， 并開展了軟件仿真與產(chǎn)品車載試驗。 試驗結(jié)果表明， 所設(shè)計的算法能有效增強系統(tǒng)魯棒性、 提高濾波算法精度， 有效隔離故障衛(wèi)星數(shù)據(jù)， 能保證被測導(dǎo)航產(chǎn)品的高精度、 穩(wěn)定、 可靠輸出。

關(guān)鍵詞： 組合導(dǎo)航； 自適應(yīng)濾波； 故障檢測； 車載試驗

中圖分類號： TJ765； V249.32+8文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 1673-5048（2017）01-0028-05[SQ0]

0引言

武器系統(tǒng)對機載武器作戰(zhàn)能力的要求越來越高， 如要求具備打擊300 km以外目標(biāo)的能力等， 在這樣的射程下， 機載武器已不能單純依靠慣性導(dǎo)航， 需要引入組合導(dǎo)航系統(tǒng)。 隨著國內(nèi)自主北斗衛(wèi)星導(dǎo)航

系統(tǒng)（BDS）開始提供區(qū)域定位服務(wù)， 在武器系統(tǒng)中采用SINS/BDS組合導(dǎo)航系統(tǒng)來提高武器導(dǎo)航精度， 以達到武器系統(tǒng)的要求， 已成為一種必然選擇。

1慣導(dǎo)誤差方程

3狀態(tài)方程

選擇11維的狀態(tài)變量， 包括三個速度誤差、 三個失準(zhǔn)角、 三個位置誤差、 接收機鐘差、 鐘漂。

狀態(tài)變量：

X（t）=[dVxdVydVzψxψyψzdRxdRydRzdtrdtv]T（6）

狀態(tài)方程為

X·（t）=F（t）X（t）+G（t）W（t）（7）

4觀測方程

觀測方程的推導(dǎo)過程在CGCS2000坐標(biāo)系下進行。

4.1偽距觀測方程

航空兵器2017年第1期

程海彬， 等： 機載武器SINS/BDS組合導(dǎo)航自適應(yīng)濾波算法研究

假定xeIyeIzeI為經(jīng)過換算的慣導(dǎo)在CGCS2000中的輸出； xeByeBzeB為BDS在CGCS2000坐標(biāo)系下的位置輸出； xisy

（1） 滾動角對準(zhǔn)殘差得到有效估計， 漂移得到有效抑制， 姿態(tài)誤差保持在0.2°以內(nèi)；

（2） 由于車輛動態(tài)差， 航向誤差無法得到有效估計， 組合導(dǎo)航保持了純慣性輸出結(jié)果；

（3） 組合導(dǎo)航結(jié)果有效地鉗制了俯仰角姿態(tài)漂移， 偏差維持在0.1°附近。

通過半實物仿真可見組合導(dǎo)航算法工作狀態(tài)良好， 組合導(dǎo)航結(jié)果維持了高精度、 穩(wěn)定輸出。

7結(jié)論

對SINS/BDS組合導(dǎo)航算法進行了詳細推導(dǎo)。 在濾波算法上， 設(shè)計了一套系統(tǒng)噪聲與觀測噪聲在線實時調(diào)整的自適應(yīng)濾波算法， 使得算法精度得到進一步提高。 采用了殘差χ2的故障檢測技術(shù)， 有效提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性。 對所設(shè)計的算法進行了軟件仿真與全狀態(tài)的車載試驗驗證， 從試驗結(jié)果可以看出所設(shè)計的算法可行， 工作可靠， 已具備工程應(yīng)用條件。

參考文獻：

[1] 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， 2012.

Qin Yongyuan， Zhang Hongyue， Wang Shuhua. Theory of Kalman Filter and Integrated Navigation[M]. Xian： Northwestern Polytechnical University Press， 2012.（in Chinese）

[2]

解春明， 趙剡. 高精度傳遞對準(zhǔn)仿真用飛行軌跡設(shè)計[J]. 火力與指揮控制， 2010， 35（9）： 88-92.

Xie Chunming， Zhao Yan. HighPrecision Flight Track Design for Transfer Alignment Simulation[J]. Fire Control & Command Control， 2010， 35（9）：88-92.（in Chinese）

[3] 周衛(wèi)東， 蔡佳楠， 孫龍. GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)混合濾波算法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2014， 46（7）： 47-52.

Zhou Weidong， Cai Jianan， Sun Long. An Adaptive Revising Filtering Method for GPS/SINS UltraTightly Coupled System[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2014， 46（7）： 47-52. （in Chinese）

[4] 張利民， 張興會， 陳增強， 等. 自適應(yīng)Kalman濾波的改進及其在SINS/GPS組合導(dǎo)航中的應(yīng)用[J]. 東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2013， 43（S1）： 89-92.

Zhang Limin， Zhang Xinghui， Chen Zengqiang， et al. Improvement of Adaptive Kalman Filtering Algorithm and Its Application in SINS/GPS Integrated Navigation[J]. Journal of Southeast University： Natural Science Edition， 2013， 43（S1）： 89-92. （in Chinese）

[5] 張科， 劉海鵬， 李恒年， 等. SINS/GPS/CNS組合導(dǎo)航聯(lián)邦濾波算法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報， 2013， 21（2）： 226-230.

Zhang Ke， Liu Haipeng， Li Hengnian，et al. SINS/GPS/CNS Integrated Navigation Federal Filtering Algorithm[J]. Journal of Chinese Inertial Technology， 2013， 21（2）： 226-230. （in Chinese）

[6] 孫兆妍， 王新龍， 車歡. GPS/SINS深組合導(dǎo)航技術(shù)綜述[J]. 航空兵器， 2014（6）： 14-19.

Sun Zhaoyan， Wang Xinlong， Che Huan. Review on Navigation Techniques of Deep GPS/SINS Integration[J]. Aero Weaponry， 2014（6）： 14-19. （in Chinese）

[7] 王新龍， 謝佳， 王君帥. SINS/GPS不同組合模式適應(yīng)性分析與驗證[J]. 航空兵器， 2013（3）： 3-8.

Wang Xinlong， Xie Jia， Wang Junshuai. Adaptability Analysis and Validation of Different SINS/GPS Coupled Modes[J]. Aero Weaponry， 2013（3）： 3-8. （in Chinese）

[8] 羅萍， 袁莉杰， 黃良學(xué)， 等. 基于北斗衛(wèi)星組合導(dǎo)航精度優(yōu)化設(shè)計研究[J]. 計算機仿真， 2015， 32（11）： 75-78.

Luo Ping， Yuan Lijie， Huang Liangxue， et al. Design of Accuracy Optimization Based on COMPASS Integrated Navigation System[J]. Computer Simulation， 2015， 32（11）： 75-78. （in Chinese）

[9] 袁美桂， 嚴(yán)玉國， 龐春雷， 等. 改進的自適應(yīng)Kalman濾波在GPS/SINS中的應(yīng)用[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)版， 2015， 16（5）： 65-69.

Yuan Meigui， Yan Yuguo， Pang Chunlei， et al. The Application of Improved Adaptive Kalman Filter to GPS/SINS[J]. Journal of Air Force Engineering University： Natural Science Edition， 2015， 16（5）： 65-69. （in Chinese）

[10] 張秋昭， 張書畢， 劉志平， 等. 基于雙差偽距/偽距率的GPS/SINS緊組合導(dǎo)航[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版）， 2015， 40（12）： 1690-1694 .

Zhang Qiuzhao， Zhang Shubi， Liu Zhiping， et al. TightlyCoupled GPS/SINS Integrated System Measurement Model Based on DoubleDifference PseudoRange/PseudoRange Rate[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University， 2015， 40（12）： 1690-1694. （in Chinese）

[11] 李金梁， 車萬方， 李明忠. 一種容錯組合導(dǎo)航濾波器設(shè)計與仿真[J]. 指揮控制與仿真， 2015， 37（5）： 93-98.

Li Jinliang， Che Wanfang， Li Mingzhong. Design and Simulation of Fault Tolerant Integrated Navigation Filter[J]. Command Control & Simulation， 2015， 37（5）： 93-98. （in Chinese）