CN112146653A - 一种提高组合导航解算频率的方法 - Google Patents

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姜校亮
可伟
王雪
马西保
李健一
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Abstract

本发明公开了一种提高组合导航解算频率的方法，首先确定组合导航的状态变量；未接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行IMU数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算和***噪声矩阵计算；定义滤波标志位默认为0，接收到外部传感器的量测信息时，在中断内再加上量测矩阵和量测向量计算，令滤波标志位为1；在中断外滤波，完成时间更新和量测更新，此时令滤波标志位为2；在中断内，当判别滤波标志位为2，根据时间、量测更新得到的状态变量对组合导航的姿态、速度和位置进行反馈校正并对相应的状态变量置零，完成一次滤波，此时滤波标志位重置为0，等待下一次滤波。本发明能够提高组合导航解算频率，提高惯导导航精度。

Description

一种提高组合导航解算频率的方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种提高组合导航解算频率的方法。
背景技术
捷联惯导***(SINS)由陀螺、加速度计、导航计算机等组成可实现自主导航的***，通过其导航计算机的导航计算，能够提供包括姿态、速度和位置信息，但其误差随时间积累，不能单独长时间工作，需要利用外部传感器的观测信息通过滤波算法来修正补偿SINS***，以抑制其随时间积累的误差。
在实际基于数字信号处理(DSP)的惯导***中，导航计算机从接收惯性测量单元(IMU)数据、接收外部传感器量测信息、纯惯性解算、组合导航解算和发送导航信息都需要一定时间，DSP的中断时间需大于整个流程时间，根据实际测试发现，组合导航的卡尔曼滤波过程的时间更新和量测更新涉及到高维矩阵的多次相乘和求逆，占据了整个流程的大部分时间，抑制了导航解算频率。而通过提高组合导航解算频率，能够更真实的反映运载体的运动，提高惯导的导航精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种提高组合导航解算频率的方法，能够提高组合导航解算频率，提高惯导导航精度。
本发明采取的技术方案如下：
一种提高组合导航解算频率的方法，所述方法步骤如下：
步骤一，选择姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移和加速度计零偏作为组合导航的状态变量；
步骤二，未接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行惯性测量单元数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算和***噪声矩阵计算；定义滤波标志位默认为0，接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行惯性测量单元数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算、***噪声矩阵计算以及量测矩阵计算和量测向量计算，令滤波标志位为1；在中断外滤波，完成时间更新和量测更新，此时令滤波标志位为2；
在中断内，当判别滤波标志位为2，根据时间更新和量测更新得到的状态变量对组合导航的姿态、速度和位置进行反馈校正并对相应的状态变量置零，从而完成一次滤波过程，此时滤波标志位重置为0，等待下一次滤波的到来。
进一步地，所述时间更新和量测更新在数字信号处理的主函数中进行。
有益效果：
本发明通过把计算量大的时间更新和量测更新过程转移到中断外的主函数中，能够减小中断周期，提高组合导航解算频率，能够更真实的反映运载体的角运动，进而最终提高了组合导航***的精度。
附图说明
图1为本发明的原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种提高组合导航解算频率的方法，操作如下：
在精对准和组合导航中，根据捷联惯性导航***长期工作时的误差特点，选择姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移和加速度计零偏作为组合导航的状态变量。
Figure BDA0002614586630000031
其中，
Figure BDA0002614586630000032
分别代表惯性导航失准角误差中的东向失准角、北向失准角、天向失准角误差，δVE、δVN、δVU分别代表惯性导航速度误差中东向速度误差、北向速度误差和天向速度误差；δL、δλ、δh分别代表惯性导航位置误差中的纬度误差、经度误差和高度误差；εE、εN、εU分别代表x轴陀螺、y轴陀螺和z轴陀螺的随机常值漂移；
Figure BDA0002614586630000033
分别代表x轴加速度计、y轴加速度计和z轴加速度计的随机常值零偏。
建立卡尔曼滤波***方程
Figure BDA0002614586630000034
其中，X为***误差状态变量，
Figure BDA0002614586630000035
为***误差状态变量的微分，W为***噪声变量，F为***状态转移矩阵，G为***噪声转换矩阵。
Figure BDA0002614586630000036
Figure BDA0002614586630000037
是载体系到导航系的姿态变换矩阵。
建立量测方程
Z＝HX+V
其中，Z为量测向量，H为量测矩阵，V为量测噪声向量。
在没有接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行正常的接收IMU数据、纯惯性解算、一步状态转移矩阵φk,k-1的计算和***噪声矩阵Qk-1的计算。
Figure BDA0002614586630000041
Figure BDA0002614586630000042
其中，I为单位矩阵，Fi为每个中断内的***状态转移矩阵，Ts为中断周期，Q为***噪声方差矩阵，Gi为每个中断内的***噪声转换矩阵，i为某个中断,n为GNSS信息间隔时间内的DSP的中断个数，k为滤波次数。
定义滤波标志位默认为0。在接收到外部传感器的量测信息时，仍在中断内进行正常的接收IMU数据、纯惯性解算、一步状态转移矩阵φk,k-1的计算和***噪声矩阵Qk-1的计算即所谓中断内部的计算，同时还要计算量测矩阵Hk和量测向量Zk，此时令滤波标志位为1。滤波的过程在中断外，即在DSP的主函数中进行，当中断再次来临时，暂停滤波而继续执行中断内部的计算。经过数个中断后完成时间更新和量测更新，此时令滤波标志位为2。
其中时间更新包括：
状态一步预测向量
Xk/k-1＝φk,k-1Xk-1
一步预测均方误差矩阵P
Figure BDA0002614586630000043
量测更新包括：
滤波增益
Figure BDA0002614586630000044
其中Rk为量测噪声向量的协方差矩阵。
状态估值计算
Xk＝Xk/k-1+Kk(Zk-HkXk/k-1)
估计均方误差矩阵
Figure BDA0002614586630000052
在中断内，当惯导***判别滤波标志位为2，即时间更新和量测更新执行完毕时，根据时间更新和量测更新得到的状态变量对姿态、速度和位置进行反馈校正并对相应的状态变量置零，从而完成一次滤波过程，此时滤波标志位重置为0，等待下一次滤波的到来。其中校正方式具体如下所示：
姿态误差校正：
Figure BDA0002614586630000051
速度误差校正：
[VE(k) VN(k) VU(k)]T＝[VE(k-1) VN(k-1) VU(k-1)]T-[δVE δVN δVU]T
位置误差校正：[Lk λk hk]T＝[Lk-1 λk-1 hk-1]T-[δL δλ δh]T
如图1所示，执行时，首先判断中断是否到来，若中断未到来，则判断此时的滤波标志位是否为1，若不为1则等待下一次中断；若为1则执行时间更新和量测更新，执行完毕后令滤波标志位为2；
若中断到来，接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行IMU数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算、***噪声矩阵计算以及量测矩阵计算和量测向量计算，令滤波标志位为1；未接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行IMU数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算和***噪声矩阵计算；并判断滤波标志位是否为2，若为2则进行反馈校正并对相应的状态变量置零，从而完成一次滤波过程，此时滤波标志位重置为0，发送导航信息即姿态、速度和位置信息，中断结束。若不为2则直接发送导航信息，中断结束。接着判别此时滤波标志位是否为1，若不为1则等待下一次中断；若为1则执行时间更新和量测更新，执行完毕后令滤波标志位为2。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种提高组合导航解算频率的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤一，选择姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移和加速度计零偏作为组合导航的状态变量；
步骤二，未接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行惯性测量单元数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算和***噪声矩阵计算；定义滤波标志位默认为0，接收到外部传感器的量测信息时，在中断内进行惯性测量单元数据接收、纯惯性解算、一步状态转移矩阵计算、***噪声矩阵计算以及量测矩阵计算和量测向量计算，令滤波标志位为1；在中断外滤波，完成时间更新和量测更新，此时令滤波标志位为2；
在中断内，当判别滤波标志位为2，根据时间更新和量测更新得到的状态变量对组合导航的姿态、速度和位置进行反馈校正并对相应的状态变量置零，从而完成一次滤波过程，此时滤波标志位重置为0，等待下一次滤波的到来。
2.如权利要求1所述的提高组合导航解算频率的方法，其特征在于，所述时间更新和量测更新在数字信号处理的主函数中进行。
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