CN112068173A - 一种基于环路和积数据关联算法的协同导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:协同导航***内有多个平台,平台自身用卫星(GPS)和惯导(INS)进行绝对导航,平台间用GPS和超宽带(UWB)进行相对导航,且平台间可相互通信。具体步骤为:平台自身采用惯导,卫星等传感器进行绝对导航,获取平台的位置、速度、姿态等信息;平台间采用卫星差分和超宽带的测距,测速,以及绝对导航输出结果进行相对导航,获取平台间的相对位置、速度信息;平台间互相传递绝对导航及相对导航的估出结果,构建基于环路和积数据关联算法的协同导航滤波器,估计出所有平台的位置、速度信息。本发明能够提高协同导航定位精度和可靠性,适用于工程实际应用。
Description
技术领域
本发明属于协同导航技术领域,具体涉及一种基于环路和积数据关联算法的协同导航。
背景技术
协同导航是协同组网编队中平台间通过导航信息交互利用,实时解算并修正自身位置、速度、姿态等导航信息,保障协同编队保持、队形重构及后续协同任务顺利完成的一种技术。
绝对导航为平台利用INS、GPS等技术,解算出自身运动状态的一种技术;相对导航为平台间通过UWB测速、GPS差分等技术,解算出平台之间的相对距离速度的一种技术。相对导航通常相对于绝对导航具有更高的定位精度,但无法获悉平台自身的运动状态。因此,融合绝对导航和相对导航,在获取平台自身运动状态的同时,也能获取到平台间的相对运动状态,且精度高于单一的绝对导航和相对导航,更有利于整个网络协同作业的运作。
发明内容
发明目的:
在协同导航网络中,通过平台间的通讯,融合基于INS/GPS的绝对导航和GPS/UWB的相对导航,基于环路和积数据关联算法进行协同导航滤波,获取整个***的导航信息。
技术方案:
一种基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:协同导航***内有多个平台,平台自身用卫星(GPS)和惯导(INS)进行绝对导航,平台间用GPS和超宽带 (UWB)进行相对导航,且平台间可相互通信,它包括以下步骤:
步骤一:平台自身采用惯导,卫星等传感器进行绝对导航,获取平台的位置、速度、姿态等信息;
步骤二:平台间采用卫星差分和超宽带的测距测速,借助绝对导航输出结果进行相对导航,获取平台间的相对位置、速度信息;
步骤三:平台间互相传递信息,构建基于环路和积数据关联算法的协同导航滤波器,估计出所有平台的位置、速度信息;
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的优点在于
(1)通过融合相对导航,获得了相比于绝对导航精度更高的运动状态。
(2)本发明为融合绝对导航和相对导航的算法框架,并不要求固定的绝对导航和相对导航方式,具有普适性。
(3)仅通过算法融合绝对导航和相对导航,不增加传感器数量,不增加硬件成本。
本发明提出的方案通过如下仿真实验加以验证:
(1)采用三平台进行协同导航,三平台运行中除在高度有差距,其它运动状态相同,平台间都可相互通信,滤波周期Tf为200ms,仿真时间为103s;
(2)绝对导航采用惯导与卫星紧组合,惯性传感器数据采样时间为40ms,卫星伪距伪距率采样时间为200ms,陀螺仪常值漂移为0.1°/h,随机漂移为0.01°/h,加速度计常偏为0.1mg,随机为0.05mg,卫星伪距误差为5m,伪距率误差为0.1m/s;
(3)相对导航采用UWB传感器和卫星伪距伪距率双差组合,采样时间均为200ms,UWB测距误差为0.1m,测速误差为0.01m/s。
附图表说明
图1为融合绝对导航和相对导航的协同导航流程框图;
图2-图4为各平台绝对导航与协同导航误差曲线图;
图5为平台绝对导航与协同导航平均误差统计特性;
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本实例***内共有三个平台,平台自身用卫星(GPS)和惯导(INS)进行绝对导航,平台间用GPS和超宽带(UWB)进行相对导航,且平台间可相互通信。如图1所示,共三个步骤:
步骤一:平台自身采用惯导,卫星等传感器进行绝对导航,获取平台的位置、速度、姿态等信息;
步骤二:平台间采用卫星差分和超宽带的测距测速,借助绝对导航输出结果进行相对导航,获取平台间的相对位置、速度信息;
步骤三:平台间互相传递信息,构建基于环路和积数据关联算法的协同导航滤波器,估计出所有平台的位置、速度信息。
结算结果如图2到图4所示,为三个平台在东北天地理坐标系下三个方向的速度位置误差,图5为各个方向的平均误差统计特性,可以看到,协同导航精度高于单一的绝对导航,以下为三个步骤的详细展开:
步骤一所述的绝对导航,为INS和GPS紧组合导航,主要根据GPS接收机计算出的卫星星历数据和惯导***计算出的速度位置,解算出对应于惯性导航***的伪距和伪距率,再与GPS接收机测量到的伪距伪距率相比较,估计出惯性导航***和GPS接收机的误差量,然后将估出的参数反馈至INS内部,得到平台自身的运动状态,以平台i 为例进行说明:
绝对导航采用坐标系为东北天地理坐标系,其状态包括9维的INS误差,6维的INS元件误差,2维的GPS误差,状态方程可写作:
其中:
代表k时刻编号为i的平台状态,为东北天三个方向的平台误差角,δvE,δvN,δvU和δL,δλ,δh为三个方向的速度和位置误差,εx,εy,εz和Δx,Δy,Δz陀螺仪和加速度计在三个方向的偏置误差,δtu为时钟误差等效的测距误差,δtru为时钟频率误差等效的距离变化率,F为状态转移矩阵,G为噪声系数矩阵,W为噪声向量,上角标i为平台编号,下角标k代表时间;
设平台在地球大地坐标系下惯导输出位置为经度λI,纬度LI,高度hI,则平台的真实位置的λ,L,h可表示成如下形式:
量测为GPS接收机测得的四颗卫星的伪距和伪距率,量测方程可写作:
其中ρj为伪距测量,具体展开如下:
式中,为卫星j在地心地球固连(ECEF)坐标系下各方向位置,下角标s代表卫星,上角标j为卫星编号,x,y,z为平台自身在ECEF坐标系下各方向位置,vρ为伪距测量噪声,ECEF坐标系与东北天地理坐标系转换关系如下:
式中,RN为地球半径,f为地球的椭圆扁率;
进一步的,步骤二所述的相对导航,任意两个有通信平台为一组,以平台i与平台j为例,它们间的相对导航具体如下:
状态变量由ECEF坐标系下双平台的相对运动状态构成,首先定义状态变量X为:
构造状态方程如下:
式中,03×3为3维的全零方阵,I3×3为3维的单位矩阵,wp,wv,wa,wδp分别为相对位置、速度、加速度、时变位置误差的***噪声;
量测为两个平台间的伪距双差、双差变化率、UWB测距测速,以及两个平台的绝对导航定位数据做差,可分为以下五个部分:
式中,VΔabs为双平台绝对导航误差所引起的噪声;
式中,||·||2代表矩阵的2范数,np_uwb为UWB测距噪声;
式中,nv_uwb为UWB测速噪声;
综上五个部分,相对导航的量测可写作如下形式:
其中,本平台采用四颗卫星,选取其中高度最高的卫星与剩下三颗卫星做差,故伪距双差测量与伪距双差变化率测量都是三维;
进一步的,步骤三所述的传递信息,其内容主要包括:
传递过信息后,开始构造步骤三所述的协同导航滤波器,首先构造其状态及协方差初值,构造方法如下:
然后构造协同导航滤波器的量测及量测误差,构造方法如下:
式中:
zi为构造的量测向量,Ri为与zi对应的量测噪声;
根据绝对导航和相对导航的关系,可得出协同导航滤波器量测方程为:
式中,x,y,z由INS输出位置L,λ,h以及绝对导航输出位置误差δL,δλ,δh转化而来,由INS输出速度vE,vN,vU以及绝对导航输出速度误差δvE,δvN,δvU转化而来,具体转换过程如式(5)和式(7)所示;
在构造完协同导航滤波器后,进行环路和积数据关联算法,详细计算过程如下:
第二步,观测方程传播积分点;
第四步所有平台运算完毕后,进行信息交互;
第五步重新构造状态初值,再次进行滤波;
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:协同导航***内有多个平台,平台自身用卫星(GPS)和惯导(INS)进行绝对导航,平台间用GPS和超宽带(UWB)进行相对导航,且平台间可相互通信,它包括以下步骤:
步骤一:平台自身采用惯导,卫星等传感器进行绝对导航,获取平台的位置、速度、姿态等信息;
步骤二:平台间采用卫星差分和超宽带的测距测速,借助绝对导航输出结果进行相对导航,获取平台间的相对位置、速度信息;
步骤三:平台间互相传递信息,构建基于环路和积数据关联算法的协同导航滤波器,估计出所有平台的位置、速度信息。
2.根据权力要求1所述的基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:步骤一所述的绝对导航,为INS和GPS紧组合导航,主要根据GPS接收机计算出的卫星星历数据和惯导***计算出的速度位置,解算出对应于惯性导航***的伪距和伪距率,再与GPS接收机测量到的伪距伪距率相比较,估计出惯性导航***和GPS接收机的误差量,然后将估出的参数反馈至INS内部,得到平台自身的运动状态,以平台i为例进行说明:
绝对导航采用坐标系为东北天地理坐标系,其状态包括9维的INS误差,6维的INS元件误差,2维的GPS误差,状态方程可写作:
其中:
代表k时刻编号为i的平台状态,为东北天三个方向的平台误差角,δvE,δvN,δvU和δL,δλ,δh为三个方向的速度和位置误差,εx,εy,εz和Δx,Δy,Δz陀螺仪和加速度计在三个方向的偏置误差,δtu为时钟误差等效的测距误差,δtru为时钟频率误差等效的距离变化率,F为状态转移矩阵,G为噪声系数矩阵,W为噪声向量,上角标i为平台编号,下角标k代表时间;
设平台在地球大地坐标系下惯导输出位置为经度λI,纬度LI,高度hI,则平台的真实位置的λ,L,h可表示成如下形式:
量测为GPS接收机测得的四颗卫星的伪距和伪距率,量测方程可写作:
其中ρj为伪距测量,具体展开如下:
式中,为卫星j在地心地球固连(ECEF)坐标系下各方向位置,下角标s代表卫星,上角标j为卫星编号,x,y,z为平台自身在ECEF坐标系下各方向位置,vρ为伪距测量噪声,ECEF坐标系与东北天地理坐标系转换关系如下:
式中,RN为地球半径,f为地球的椭圆扁率;
3.根据权力要求1所述的基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:步骤二所述的相对导航,任意两个有通信平台为一组,以平台i与平台j为例,它们间的相对导航具体如下:
状态变量由ECEF坐标系下双平台的相对运动状态构成,首先定义状态变量X为:
构造状态方程如下:
式中,03×3为3维的全零方阵,I3×3为3维的单位矩阵,wp,wv,wa,wδp分别为相对位置、速度、加速度、时变位置误差的***噪声;
量测为两个平台间的伪距双差、双差变化率、UWB测距测速,以及两个平台的绝对导航定位数据做差,可分为以下五个部分:
式中,VΔabs为双平台绝对导航误差所引起的噪声;
式中,||·||2代表矩阵的2范数,np_uwb为UWB测距噪声;
式中,nv_uwb为UWB测速噪声;
综上五个部分,相对导航的量测可写作如下形式:
其中,本平台采用四颗卫星,选取其中高度最高的卫星与剩下三颗卫星做差,故伪距双差测量与伪距双差变化率测量都是三维。
8.根据权力要求1所述的基于环路和积数据关联算法的协同导航,其特征在于:步骤三所述的基于环路和积数据关联算法的协同导航滤波器,其计算过程如下:
8.2观测方程传播积分点;
8.4所有平台运算完毕后,进行信息交互;
8.5重新构造状态初值,再次进行滤波;
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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