CN113834483A - 一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,包括以下步骤:首先,基于瑞利散射模型中偏振矢量与太阳矢量的垂直关系,结合惯导模型建立偏振/惯性子滤波器量测方程;其次,基于载体系和导航系下地磁矢量转换关系,建立地磁/惯性子滤波器量测方程;再次,分别计算两个子滤波器的随机可观测度并设计信息分配因子;然后,在子滤波器的量测更新过程中,基于信息分配因子设计自适应修正因子对状态估计值进行二次修正;最后,在主滤波器进行融合,并采用里程计估计速度和位置误差,将全局估计值反馈给组合导航***以及对子滤波器进行反馈重置;本发明针对传感器数据不可靠时组合导航***的容错导航,具有精度高、鲁棒性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于组合导航领域,涉及一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,解决在面对传感器异常数据时保证惯性/偏振/地磁组合导航的精度和鲁棒性的问题。
背景技术
组合导航技术是导航领域的一项关键技术。许多动物可以通过感知偏振光或地磁场来进行导航,动物的这种导航方式为我们提供了新思路,基于偏振光和地磁的导航方式受到广泛关注。偏振导航以大气偏振模式为理论依据,通过对天空偏振模式局部或全域的感知来解算姿态和位置信息。相比于其他导航方式,偏振导航具有自主性强、隐蔽性好、无误差累积等优点,但其对天空偏振态变化较为敏感,且受到遮挡时性能会下降等。地磁导航作为一种比较成熟的仿生导航方式,同样具有无源自主等优点,但易受到磁场干扰。为充分发挥偏振导航和地磁导航的优点,将偏振导航与地磁导航与惯性导航进行结合以构建惯性/偏振/地磁组合导航***,对完成弱卫星环境、强干扰环境和复杂未知环境的自主导航和定位任务具有重大意义。
偏振导航和地磁导航之间的优势互补和深入融合涉及到多传感器信息融合问题。由于复杂环境下传感器数据可能会出现异常、不可靠的情况,信息质量无法得到保证,直接对传感器数据进行融合会导致异常数据污染整个组合导航***,影响导航***精度和可靠性。文献“高空长航无人机多源信息高精度容错自主导航研究”通过将可观测度引入导航***反馈修正中,有效的提高了导航精度,但融合过程中并未建立可观测度和传感器信息质量的关系,无法有效应对传感器数据不可靠情况;文献“复杂城市环境下 GNSS/INS 组合导航可观测度分析及鲁棒滤波方法”和文献“基于可观测度分析和增量因子图的多源融合导航方法”虽建立了可观测度与传感器信息质量的关系,但可观测度计算方法对***要求较高,且融合方法设计复杂,难以应用于惯性/偏振/地磁组合导航***中;专利号为202011096081中将可观测度作为自适应因子进行混合校正,但当传感器数据不可靠时会因反馈量不足而影响组合导航***精度。如何在传感器数据不可靠下保证组合导航的导航性能和稳定性,一直以来是一个研究的重点问题。
针对惯性/偏振/地磁组合导航***可能出现的传感器数据不可靠、不可靠问题,本发明采用分散式联邦滤波算法,并通过随机可观测度实时反映传感器信息质量,基于随机可观测度设计信息分配因子,在子滤波器中通过信息分配因子进行二次修正,在主滤波器中通过信息分配因子进行动态反馈重置,保证惯性/偏振/地磁组合导航***在复杂环境中传感器数据可能出现的信息质量低下、不可靠等情况下的精度和稳定性。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有方法的不足,提供一种针对惯性/偏振/地磁组合导航***在传感器数据不可靠情况下的精度高、稳定性强的组合导航方法,该算法基于随机可观测度设计信息分配因子,在子滤波器中基于信息分配因子对估计值进行二次修正,在主滤波器中基于信息分配因子进行动态反馈重置,保证惯性/偏振/地磁组合导航***的精度和鲁棒性。
本发明的技术解决方案为:一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,实现步骤如下:
(1)通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程;
(2)通过地磁传感器测量得到载体系下地磁矢量m b ,通过国际地磁参考场计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,基于m b 与m n 的坐标转换关系,结合惯导误差状态方程建立地磁/惯性子滤波器量测方程;
(3)结合步骤(1)与步骤(2)建立的两个量测方程,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子;
(5)在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正组合导航***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对各子滤波器进行反馈重置;
步骤(1)中,通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程,具体设计过程如下:
***状态方程为:
考虑平台三维姿态失准角误差,建立实测偏振矢量与平台三维姿态失准角的关系为:
其中,为从载体系到导航系的计算坐标转换矩阵,为实测的偏振矢量, p b 为理论偏振矢量,是p b 的反对称矩阵,是平台三维姿态失准角,v p 为偏振矢量测量误差。基于此,偏振/惯性子滤波器量测模型可表示为:
步骤(2)中,通过地磁传感器测量得到载体系下地磁矢量m b ,通过国际地磁参考场计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,基于m b 与m n 的坐标转换关系,结合惯导误差状态方程建立地磁/惯性子滤波器量测方程,具体设计过程如下:
根据国际地磁参考场(IGRF)以及当地地理位置和地理时间计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,三轴地磁传感器可以测得载体系下的地磁矢量m b ,有:
则地磁/惯性子滤波器量测方程为:
步骤(3)中,结合步骤(1)与步骤(2)建立的两个量测方程,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子,具体设计过程如下:
建立偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器量测方程后,计算两个子滤波器的随机可观测度,随机可观测度计算方法如下:
定义k时刻第j个状态分量的可观测度为:
令
假设初始时刻每个子滤波器的信息分配因子为(=1,2),首先为保证各子滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵互不相干,将子滤波器和主滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵扩大倍,令全局状态估计值和全局状态估计误差协方差矩阵为X g 和P g ,***噪声方差阵为Q g ,则初始化过程表示为:
子滤波器的时间更新过程为:
增益计算过程为:
按照卡尔曼滤波,估计值表示为:
相应的,状态协方差矩阵表示为:
步骤(5)中,在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对子滤波器进行反馈重置,具体设计过程如下:
在主滤波器中采用里程计修正速度和位置,里程计量测模型表示为:
本发明与现有技术相比的优点在于:
本发明将偏振导航和地磁导航通过联邦滤波器相结合,且使用随机可观测度来反映传感器信息质量,建立信息分配因子和随机可观测度的关系,实现基于信息质量的在线调整。本发明具有精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点,可用于复杂环境下轮船、无人机、地面机器人等领域的惯性/偏振/地磁组合导航解算过程。
附图说明
图1为本发明一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法的设计流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
如图1所示,本发明涉及一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法。第一步,通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程;第二步,通过地磁传感器测量得到载体系下地磁矢量m b ,通过国际地磁参考场计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,基于m b 与m n 的坐标转换关系,结合惯导误差状态方程建立地磁/惯性子滤波器量测方程;第三步,结合第一步与第二步建立的两个量测方程,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子;第四步,基于第三步得到的信息分配因子和设计自适应修正因子,在偏振/惯性子滤波器和地磁惯性子滤波器的量测更新过程中对k时刻误差状态的估计值和协方差矩阵进行二次修正;第五步,在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正组合导航***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对子滤波器进行反馈重置;本发明能够使惯性/偏振/地磁组合导航***面对传感器异常数据时有效做出反映,根据信息质量动态调整融合过程,具有高精度、强鲁棒的特点,适用于复杂环境下轮船、无人机、地面机器人等领域的惯性/偏振/地磁组合导航解算过程。
具体实施步骤如下:
第一步,通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程,具体设计过程如下:
***状态方程为:
考虑三维姿态平台失准角误差,建立实测偏振矢量与平台三维姿态失准角的关系为:
第二步,通过地磁传感器测量得到载体系下地磁矢量m b ,通过国际地磁参考场计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,基于m b 与m n 的坐标转换关系,结合惯导误差状态方程建立地磁/惯性子滤波器量测方程,具体设计过程如下:
根据国际地磁参考场(IGRF)以及当地地理位置和地理时间可以计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,三轴地磁传感器测得载体系下的地磁矢量m b ,有:
则地磁/惯性子滤波器量测方程为:
第三步,结合第一步与第二步建立的量测方程,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子,具体设计过程如下:
建立偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器量测方程后,计算两个子滤波器的随机可观测度,随机可观测度计算方法如下:
定义k时刻第j个状态分量的可观测度为:
令
则动态信息分配因子可设计为:
假设初始时刻每个子滤波器的信息分配因子为(=1,2),首先为保证各子滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵互不相干,将子滤波器和主滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵扩大倍,令全局状态估计值和全局状态估计均方误差为X g 和P g ,***噪声方差阵为Q g ,则初始化过程可以表示为:
子滤波器的时间更新过程为:
增益计算过程为:
按照卡尔曼滤波,估计值表示为:
相应的,状态协方差矩阵表示为:
第五步,在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对子滤波器进行反馈重置,具体设计过程如下:
在主滤波器中采用里程计修正速度和位置,里程计量测模型表示为:
根据信息守恒原则,利用全局滤波解对偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器局部滤波值和协方差阵进行重置,将主滤波器融合值和协方差阵反馈给子滤波器:
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。以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,其特征在于,实现步骤如下:
(1)通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程;
(2)通过地磁传感器测量得到载体系下地磁矢量m b ,通过国际地磁参考场计算得到导航系下三轴地磁矢量m n ,基于m b 与m n 的坐标转换关系,结合惯导误差状态方程建立地磁/惯性子滤波器量测方程;
(3)结合步骤(1)与步骤(2)建立的两个量测方程,基于随机可观测度理论,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子;
(5)在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正组合导航***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对各子滤波器进行反馈重置。
2.根据权利要求1所述的一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,其特征在于:
所述步骤(1)中,通过偏振传感器测量得到偏振方位角并计算得到导航系下偏振矢量p n ,通过太阳年历计算得到导航系下太阳矢量s n ,基于瑞利散射模型中偏振矢量p n 与太阳矢量s n 的垂直关系,结合惯导误差状态方程建立偏振/惯性子滤波器量测方程,具体设计过程如下:
***状态方程为:
考虑平台三维姿态失准角误差,建立实测偏振矢量与平台三维姿态失准角的关系为:
其中,为从载体系到导航系的计算坐标转换矩阵,为实测的偏振矢量, p b 为理论偏振矢量,是p b 的反对称矩阵,是平台三维姿态失准角,v p 为偏振矢量测量误差,基于此,偏振/惯性子滤波器量测模型表示为:
4.根据权利要求1所述的一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,其特征在于:所述步骤(3)中,结合步骤(1)与步骤(2)建立的量测方程,分别计算k时刻偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的随机可观测度,基于随机可观测度设计偏振/惯性子滤波器的信息分配因子和地磁/惯性子滤波器的信息分配因子,具体设计过程如下:
建立偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器量测方程后,计算两个子滤波器的随机可观测度,随机可观测度计算方法如下:
定义k时刻第j个状态分量的可观测度为:
令
5.根据权利要求1所述的一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,其特征在于:所述步骤(4)中,基于步骤(3)得到的信息分配因子和设计自适应修正因子,在偏振/惯性子滤波器和地磁惯性子滤波器的量测更新过程中对k时刻误差状态的估计值和协方差矩阵进行二次修正,具体设计过程如下:
假设初始时刻每个子滤波器的信息分配因子为,=1,2,首先为保证各子滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵互不相干,将子滤波器和主滤波器的初始估计协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵扩大倍,令全局状态估计值和全局状态估计均方误差为X g 和P g ,***噪声方差阵为Q g ,则初始化过程表示为:
子滤波器的时间更新过程为:
增益计算过程为:
按照卡尔曼滤波,估计值表示为:
相应的,状态协方差矩阵表示为:
6.根据权利要求1所述的一种基于可观测度的惯性/偏振/地磁容错导航方法,其特征在于:所述步骤(5)中,在主滤波器中融合偏振/惯性子滤波器和地磁/惯性子滤波器的信息,得到全局滤波解,将全局滤波解反馈给组合导航***,修正***姿态信息,与此同时,采用里程计估计速度和位置误差并反馈给组合导航***修正速度和位置信息,最后根据信息守恒原则,对子滤波器进行反馈重置,具体设计过程如下:
在主滤波器中采用里程计修正速度和位置,里程计量测模型表示为:
利用里程计估计信息校正***速度和位置,假设校正后的载体速度为
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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