一种双差GPS/SINS组合导航姿态测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103454665A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103454665103454665A(43)申请公布日2013.12.18(21)申请号201310375492.8(22)申请日2013.08.26(71)申请人哈尔滨工程大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学(72)发明人李倩刘新源奔粤阳高伟于飞杨娇龙杨祥龙鲍桂清谢松霖李敬春(74)专利代理机构北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)11350代理人汤东凤(51)Int.Cl.G01S19/53(2010.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书8页说明书8页附图1页附图1页(54)发明名称一种双差GPS/SINS组合导航姿态测量方法(57)摘要本发明公开了一种双差GPS/SINS组合导航姿态测量方法，首先进行捷联捷联惯导系统的初始对准，可以得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵；进而可以计算出载体的初始姿态值；利用捷联惯导系统的位置、速度、姿态及惯性传感器的误差方程，建立扩展卡尔曼滤波器的状态方程；利用计算得到载波相位误差δφ和多普勒速度误差δD建立扩展卡尔曼滤波器的观测方程；利用扩展卡尔曼滤波器进行实时估测捷联惯导系统姿态误差；利用得到的姿态误差进行修正姿态矩阵，并计算出捷联惯导系统新的姿态值。本发明的方法是在不需要计算整周模糊度，并且只需要一个GPS接收机的情况下进行载体姿态的确定，在不降低导航过程中姿态测量精度的条件下减少了计算量和系统的成本。CN103454665ACN103456ACN103454665A权利要求书1/2页1.一种双差GPS/SINS组合导航姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过对捷联惯导系统进行初始对准，得到载体坐标系b到导航坐标系n的初始姿态矩阵其中，Cij是姿态矩阵的元素，i，j＝1，2，3；步骤2、根据步骤1中的初始姿态矩阵计算出载体的初始姿态值步骤3、利用捷联惯导系统的位置误差[δLδλδh]方程、速度误差[δvEδvNδvU]方程、姿态误差方程及惯性传感器误差方程构成扩展卡尔曼滤波器的状态方程，其状态变量为15维：其中，δL、δλ、δh分别为SINS解算得到的经度、纬度、高度误差，δvE、δvN、δvU分别为SINS解算得到的东向、北向、天向速度误差，分别为SINS解算得到的东、北、天三个方向的平台失准角，εE、εN、εU分别为东、北、天向陀螺漂移，分别为东、北、天向加速度计零偏；步骤4、利用GPS接收机在t1、t2时刻接收到的第m、q两颗卫星的载波相位和多普勒速度(τ＝1，2)，在地球坐标系下对其进行星际、历元双差，并将其与捷联惯导系统的误差变量统一到同一个坐标系下，得到载波相位误差δφ和多普勒速度误差δD：其中，λ表示的是GPS的信号载波的波长，λ＝c/f，c是光速，为299792458m/s，f是GPS的信号载波频率，为1575.42MHz或1227.60MHz；表示的是由捷联惯导系统解算得到的导航坐标系到地球坐标系的转换矩阵；μφ、μD表示的是分别与载波相位、多普勒速度有关的噪声误差量；I表示的是GPS卫星位置到GPS接收机位置(由捷联惯导系统解算得到)的单位向量，为其中，(XYZ)表示是广播星历给出的GPS卫星在地球坐标下的位置坐标；表示捷联惯导系统解算得到的GPS接收机在地球坐标系下的位置坐标；R表示GPS卫星位置到GPS接收机位置的距离，为2CN103454665A权利要求书2/2页I(mq)表示的是标号为m、q两颗卫星的位置到GPS接收机位(mq)置的单位向量之间的差值；表示的是I在t1、t2两时刻之间的差值；步骤5、根据步骤4得到的δφ、δD构成扩展卡尔曼滤波器的观测方程：其中，δX表示的是步骤3中扩展卡尔曼滤波器状态方程的15维状态变量，H表示的是观测转换矩阵，即步骤6、利用步骤3和步骤5提供的状态方程和观测方程构成扩展卡尔曼滤波器，实时估测出捷联惯导系统姿态误差k＝0，1，2…；步骤7、利用步骤6估测出的捷联惯导系统姿态误差修正步骤1中捷联惯导系统的姿态矩阵，得到修正后的姿态矩阵，再利用步骤2中的计算方法就可以实时地计算出捷联惯导系统的姿态值。2.根据权利要求1所述的双差GPS/INS组合导航姿态测量方法，其特征在于，所述步骤2中，首先计算的主值公式为：则载体的姿态值为：3.根据权利要求1所述的双差GPS/SINS组合导航姿态测量方法，其特征在于，所述步骤7中，姿态矩阵修正方法：其中，表示第k次捷联惯导系统解算得到的姿态矩阵，k＝0，1，2…；表示的是第k次修正得到的姿态矩阵；表示的是步骤6中第k次估测出捷联惯导系统的姿态误差的反对称矩阵。3CN103454665A说明书1/8页一种