北斗/INS组合导航滤波算法的研究

陈海岳 汪 捷 徐冠楠 章 畅

(1.海军湛江航保修理厂 湛江 524002)(2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033)



北斗/INS组合导航滤波算法的研究

陈海岳1汪 捷2徐冠楠2章 畅2

(1.海军湛江航保修理厂 湛江 524002)(2.海军工程大学导航工程系 武汉 430033)

为了提高北斗定位系统定位定姿的精度及性能,利用惯性导航系统(inertial navigation system,INS)姿态信息进行辅助,建立BDS/INS组合定位算法。通过INS输出信息与BDS观测信息紧组合的方式,以北斗导航卫星系统的伪距以及伪距率作为子系统状态量,利用卡尔曼滤波方法将卫导观测信息与惯导导航参数融合在一起进行计算。通过实际仿真实验表明,相比于原系统算法,组合后的算法能有效地提高BDS定位的精度和成功率。

北斗定位系统; 定位定姿; 惯性导航系统; 紧耦合; 卡尔曼滤波

Class Number V249

1 引言

随着航空航天领域的迅猛发展以及卫星导航系统的普及和更高的定位精度要求,组合导航系统已经成为更高领域的一个发展方向,较为成熟的就是INS/GPS组合系统。如今我国自主研发了北斗卫星导航系统已经投入使用,研发和开发针对北斗卫星导航系统的组合导航信息融合有利于推动我国自主定位工程发展。然后BDS系统定位也存在自身缺点,如易受外界环境影响,在高动态时容易失锁。因此在此基础上,本文利用惯性导航对BDS进行辅助,可以提高姿态定位的有效性和可靠性。

2 北斗/INS组合导航系统

2.1 组合导航系统状态方程

(1)

由于采用北斗与惯导紧组合方式,即采用伪距、伪距率形式进行观测,则系统状态量为

X(t)= [φeφnφuδveδvnδvuδLδλδh

δtuδtru]T

W(t)= [ωwgωwgωwgωwrωwrωwrωwa

ωwaωwaωtuωtru]T

2.2 组合导航系统量测方程

针对北斗与惯导紧组合方式,选用北斗导航与SINS的伪距差和伪距差率作为组合导航系统的观测量。

1) 伪距差量测方程

现设在惯导与北斗组合导航系统中,运动载体在地固坐标系中的位置坐标为(Xt,Yt,Zt),选取的定位卫星中第j颗卫星的坐标为(Xsj,Ysj,Zsj),根据卫星定位的伪距定义,则伪距ρIj表示为

(2)

将ρIj在载体位置处进行一阶泰勒级数展开,设载体位置真值为(X,Y,Z)得到:

(3)

将上式代入,则得到

ρIj=Rj+ejXδX+ejYδY+ejZδZ

类似的设接收载体测得当前时刻所选导航北斗卫星的第j颗卫星之间的伪距值为ρBj,则ρBj=Rj+δtu+vpj,得到伪距差为

δρ=ρIj-ρBj=ejXδX+ejYδY+ejZδZ-δtu-vpj

(4)

假设在观测时刻有n颗可见卫星,那么就有

(5)

伪距观测方程表示为

Zρ(t)=Hρ(t)X(t)+Vρ(t)

(6)

同样的对于伪距率量测方程,类比伪距量测方程可以得到:

(7)

(8)

3 仿真模型搭建

在北斗与惯导组合的导航系统中,需要对系统进行平台实验和测量得到相关数据,再进行分析验证。本文所采用的组合导航系统主要有三部分。首先利用惯导仿真工具模拟仿真载体的运行轨迹,仿真模拟载体在每一时刻的位置、速度、姿态等运动要素信息;在模拟仿真陀螺仪和加速度计两个测量期间加入随机误差和高斯白噪声近似模拟真实输出,为下一步非线性滤波做准备。最后一步模拟仿真北斗卫星导航系统,主要模拟仿真北斗卫星星座位置,目的是得到观测伪距和伪距率信息。

3.1 载体运动轨迹仿真

仿真设计中给定载体的初始位置信息,三个姿态角初值以及随时间变化率和模拟仿真时间,通过计算就可以得到载体的运动轨迹和相关运动信息。

图1 载体运动轨迹仿真

由图中看出起点设在原点,终点位于西经200m,高40m的地方。

图2 载体东北天方向速率仿真图

3.2 IMU仿真设计

图3 惯性器件仿真系统

3.3 北斗导航仿真系统

为了简化北斗导航卫星模型的设计,下面选择基于伪距、伪距率的组合导航模型,需要的状态参数为伪距和伪距率,而这参数需要通过建立卫星星座仿真来实现。北斗导航系统仿真主要就是根据轨道参数仿真模拟设计其卫星星座位置,模拟设置好各卫星的运行轨道并给定观测时刻t,就能确定每一颗卫星在任意时刻的位置和速度。由于实际的北斗卫星其轨道和相对于地球的运行周期一定,可以依据北斗卫星导航系统和惯性导航系统给出的的位置及速度信息,再进行载体在采样点与卫星的伪距计算,从而确定观测矩阵。

4 仿真实验与结果分析

利用Matlab软件模拟载体机动轨迹,并结合星历数据,对北斗接收机以及INS导航解算从而得到导航数据。仿真过程中,认定北斗接收机的时钟漂移为一阶马尔可夫过程,陀螺仪和加速度计误差为零均值高斯白噪声,仿真时间500s。下面用UKF滤波法对组合导航进行滤波,滤波结果如下:

图4 BDS/INS组合导航滤波图

5 结语

由仿真结果可以发现,经过滤波之后的位置和速度误差明显减小,对组合之后的导航系统的定位精度有明显改进。由此得出经过组合之后的系统在UKF滤波算法作用之后定位误差得到明显改进,性能可靠性和有效性也有大幅提高。

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Research of Beidou/INS Integrated Navigation Filtering Algorithm

CHEN Haiyue1WANG Jie2XU Guannan2ZHANG Chang2

(1. Naval Aviation Insurance Repair Factory in Zhanjiang, Zhanjiang 524002) (2. Navigation Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

In order to improve the precision of positioning of informant and beidou positioning system performance, based on inertial navigation system(INS) auxiliary posture information, BDS/INS integrated positioning algorithm is established. By INS output information and BDS observation information tight combination way, with beidou navigation satellite system pseudorange and pseudorange rate as a subsystem state, using the kalman filtering method to defend guide obsevation information together with inertial navigation parameters are calculated. The results through the practical simulation show that, compared with the original system algorithm, the combined algorithm can effectively improve the accuracy of BDS positioning and success rate.

beidou positioning system, positioning on board, inertial navigation system, tight coupling, Klaman filter

2015年1月10日,

2015年2月15日 作者简介:陈海岳,男,工程师,研究方向:卫星导航。汪捷,男,副教授,研究方向:导航制导,定位方向理论与应用。徐冠楠,男,硕士研究生,研究方向:卫星定位和精密动态定位。

V249

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.024