一种利用车体非完整性约束的惯性自主导航方法

摘要

本发明公开了一种利用车体非完整性约束的惯性自主导航方法。本方法利用在运动过程中车体非完整性约束，通过平滑惯性自主导航系统输出的侧向和垂向速度累积，构建卡尔曼滤波观测方程，并利用卡尔曼滤波方程周期性计算出载车的导航参数误差并修正导航参数，从而实现了利用车体非完整性约束惯性导航系统的自主导航。本发明有效的解决了惯性导航系统自主导航精度发散的问题，有效的保证了惯性定位定向设备的精度。该方法使用方便，无需增加额外辅助设备。

主权项

一种利用车体非完整性约束的惯性自主导航方法，其特征在于具体步骤为：第一步 构建利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统，包括：三轴硅微陀螺仪、三轴硅微加速度计、导航计算机、惯性导航解算模块、导航修正模块和通讯模块；三轴硅微陀螺仪和三轴硅微加速度计分别与导航计算机实现SPI总线连接；惯性导航解算模块、导航修正模块和通讯模块分别置于导航计算机中；惯性导航解算模块用于利用采集的角速率和加速度通过数学运算得到载体在地理坐标系内的姿态、速度和位置；导航修正模块用于利用车体非完整性约束构建观测方程，采用卡尔曼滤波方程周期性修正利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统的导航参数，即载车的姿态、速度和位置；通讯模块用于利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统内外的数据采集和通讯；第二步 惯性导航解算模块对导航参数初始化载车静止条件下，惯性导航解算模块接收来自三轴硅微陀螺仪和三轴硅微加速度计的数据，对三轴硅微陀螺仪和三轴硅微加速度计的零偏进行补偿，同时接收预存信息完成对惯性自主导航系统姿态、速度和位置信息的初始化；第三步 惯性导航解算模块进行导航解算载车启动后，惯性导航解算模块接收三轴硅微陀螺仪和三轴硅微加速度计的数据，计算出载车在地理坐标系内的姿态、速度和位置；第四步 导航修正模块进行修正准备导航修正模块接收导航解算模块输出的速度，并利用姿态转换矩阵将接收到的速度转换为车体的侧向速度和垂向速度；转换公式为：${\hat{v}}_b={\left({\hat{C}}_b^n\right)}^T{\hat{v}}_n;$( )^T表示向量转置，为三维向量，其第一项和第三项为侧向和垂向速度为惯性自主导航系统的姿态转换矩阵；为惯性导航解算模块解算的速度，为三维向量，表示为${\hat{v}}_n={\left[\begin{array}{ccc}{v}_E^n& v_N^n& v_U^n\end{array}\right]}^T;$导航修正模块同时计算载车运动情况下的系统状态转移矩阵；第五步 导航修正模块利用车体非完整性约束计算观测向量和观测矩阵车体在运动情况下，受非完整性约束的影响，其侧向和垂向速度为零，和就是车体的速度误差；将$Z\left(k\right)={\left[\begin{array}{cc}{v}_x^b& v_z^b\end{array}\right]}^T$作为系统的观测向量；导航修正模块在修正时刻，计算从上一次修正时刻到本次修正时刻累积接收的车体的侧向速度和垂向速度之和，并计算这两项的平均值，将这两项作为和计算滤波时刻的观测矩阵H(k)，$H\left(k\right)=\left[\begin{array}{ccccccc}{C}_{13}{v}_N^n-C_{12}{v}_U^n& C_{11}{v}_N^n-C_{13}{v}_E^n& C_{12}{v}_E^n-C_{11}{v}_N^n& C_{11}& C_{12}& C_{13}& 0_{1\times 9}\\ C_{33}{v}_N^n-C_{\mathrm{32}}{v}_U^n& C_{31}{v}_N^n-C_{33}{v}_E^n& C_{32}{v}_E^n-C_{31}{v}_N^n& C_{31}& C_{32}& C_{33}& 0_{1\times 9}\end{array}\right];$其中C_ij为计算姿态矩阵的(i,j)项；和为惯性导航解算模块计算的速度分量的第一项和第三项；第六步 导航修正模块计算导航参数误差导航修正模块利用计算得到的运动误差方程、观测向量、观测矩阵，采用卡尔曼滤波方程计算得到利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统的导航参数误差；第七步 惯性导航解算模块修正导航参数惯性导航解算模块接收导航修正模块传递的导航参数误差，修正利用车体非完整性约束的惯性自主导航系统的姿态、速度和位置误差，将导航参数误差和观测向量Z(k)值归零；经过上述各步骤实现了利用车体非完整性约束的惯性自主导航。