基于固定里程量测的车载捷联惯导/里程计组合导航算法*

武 萌,汤霞清,黄湘远

(装甲兵工程学院控制工程系,北京 100072)

基于固定里程量测的车载捷联惯导/里程计组合导航算法*

武 萌,汤霞清,黄湘远

(装甲兵工程学院控制工程系,北京 100072)

针对车载里程计小量微分引起噪声放大和脉冲计数截断误差造成里程增量误差,进而影响系统精度的问题,提出了基于固定里程量测的组合导航方法。该算法采用位置量测方案,将固定里程范围内捷联惯导解算的位置信息和里程计航位推算之差作为量测值进行组合导航,并提出了里程计脉冲计数截断误差修正方法。仿真表明,该方法可以快速分离组合导航系统各传感器误差,具有较高的定位定向精度和推广应用价值。

捷联惯导;里程计;组合导航;航位推算;截断误差

0 引言

里程计是自主式测量传感器,适合应用在GPS受限且自主性要求高的组合导航领域,国外许多军用车载导航系统采用里程计组合导航,能达到较高的定位定向精度[1-3]。目前车载捷联惯导/里程计组合导航通常采用速度和位置量测两种方案[4-9]。文献[7]采用位置量测方案,状态空间维数为18,通过累计1 s时间内惯导位置增量和航位推算位置增量之差作为量测值,克服了传统位置量测方案21维状态空间,且姿态误差角收敛慢的缺点。但在实际过程中,由于载体速度不同,1 s累积的位置增量是不同的,因而每个时间段内的噪声分布也是不同的。在车辆低速行驶条件下,1 s内里程计输出脉冲较少,如里程计精度不高,计数器截断误差将造成里程增量误差[10]。

文中采用位置量测方案,在不额外增加状态维数的前提下,针对固定时间内车速不同噪声分布不均,里程计计数截断误差可能造成里程增量误差,进而影响系统精度的问题,提出了将固定里程范围内捷联惯导位置增量和里程计航位推算位置增量之差作为量测值,并对固定里程范围内里程计截断误差进行了修正。系统仿真验证了该方案的有效性。

1 里程计数学模型及误差分析

选取惯性坐标系i为地心坐标系,地球自转角速率为ωie。导航坐标系n为东北天坐标系。载体坐标系b原点在载体质心,xb轴沿载体横轴向右,yb轴沿载体纵轴向前,zb轴沿载体纵轴向上;里程计坐标系m原点位于车轮与地面的交点,xm轴沿车体横轴指向右侧,ym轴沿车体纵轴指向正前方zm轴垂直于xm轴和ym轴并构成右手直角坐标系。

里程计采用脉冲方式输出采样时间间隔内的里程增量,假设里程计刻度因子为KD,在采样时间间隔t内输出的脉冲数为Nt,则里程计输出里程增量在b系的投影矢量为:

(1)

(2)

2 车载捷联惯导/里程计组合导航模型

2.1 状态方程

组合导航系统状态误差X选取为18维向量,表示为:

(3)

式中:δVn为速度误差;φn为姿态误差;δPn为位置误差;εb为陀螺漂移;b为加速度计零偏。组合导航系统采用卡尔曼滤波,状态方程为:

(4)

式中：W为噪声矩阵;M1～M8为:

2.2 量测方程

(5)

为避免固定时间内载体速度不同引起的噪声不同和载体低速条件下计数器截断误差引起里程增量误差等问题,文中利用带有置位信号的光电编码里程计作为辅助导航设备,当车辆车轮行驶一周,里程计输出高电平的置位脉冲信号,表示一段固定里程,并将该固定里程下的惯导解算值和航位推算值之差作为位置量测值。假设载体行驶一周时间内捷联惯导解算周期个数为Nz=1,则量测值可表示为:

(7)

(8)

2.3 里程计截断误差修正

设里程计分辨率为ND,在第j个解算周期内里程计输出为Nj,载体行驶一周则有:

(9)

(10)

3 仿真验证

图1 姿态误差角估计值

图2 加速度计零偏估计值

图3 陀螺计零偏估计值

图4 定位误差估计值

图5 安装误差和里程计刻度误差估计值

4 结束语

文中采用位置量测的车载捷联惯导/里程计组合导航方案,通过将固定里程内惯导解算位置和里程计航位推算位置之差作为量测值构建组合导航系统,有效避免了量测噪声的放大,同时能够快速分离组合导航系统各传感器误差,能够达到较理想的定位和定向精度,系统仿真验证了该算法的有效性。文中还对里程计脉冲计算截断误差提出修正算法,克服了里程计计算器截断误差造成的航位推算位置增量误差,降低了对里程计精度要求,减小了系统成本。

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Vehicle SINS and Odometer Integrated Navigation Algorithm Based on Fixed Distance Measurement

WU Meng,TANG Xiaqing,HUANG Xiangyuan

(Department of Control Engineering, The Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Since small differential error of odometer causes noise amplification and pulse calculation error causes small differential of mileage meter, both influence on system accuracy In this paper an integrated navigation method based on fixed distance measurement was proposed, which takes the difference between positions of SINS calculation and dead reckoning of odometer in the fixed mileage range as the measurement value of integrated navigation, and the correction method of odometer was put forward for pulse counting truncation error. The results of the system simulation show that this method can quickly separate sensor error of integrated navigation system, and has higher positioning accuracy This method can be applied in system of vehicle SINS widely.

SINS; odometer; integrated navigation; dead reckoning; truncation error

2015-11-17

武萌(1981-),女,山东泰安人,讲师,博士研究生,研究方向:惯性导航与制导。

V249.3

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