gps輔助激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究

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1、GPS輔助激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究GPS輔助激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究吳非,王宇(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院.湖南長(zhǎng)沙410073)摘要:對(duì)GPS輔助下的激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.首先給出了車(chē)載SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型,然后利用Kalman濾波器對(duì)SINS和GPS的車(chē)載動(dòng)基座實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了離線(xiàn)的半實(shí)物仿真.仿真結(jié)果表明,動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)能夠在1O分鐘以?xún)?nèi)快速實(shí)現(xiàn),但是達(dá)到的對(duì)準(zhǔn)精度與靜基座對(duì)準(zhǔn)相比稍差.關(guān)鍵詞:激光陀螺;捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航;GPS;卡爾曼濾波;動(dòng)

2、基座;初始對(duì)準(zhǔn)中圖分類(lèi)號(hào):U666文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008—9268(2007)02—0028—051引言初始對(duì)準(zhǔn)是激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,其目的是獲得載體系與導(dǎo)航系間的姿態(tài)矩陣.按照基座在對(duì)準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài),初始對(duì)準(zhǔn)可以分為靜基座和運(yùn)動(dòng)基座兩種情況.靜基座對(duì)準(zhǔn)可以由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自主完成.在運(yùn)動(dòng)基座上,捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)通常需要獲得系統(tǒng)以外的參考信息作為觀測(cè)量,通過(guò)Kalman濾波實(shí)現(xiàn)最終的精確對(duì)準(zhǔn).雖然與靜基座相比,動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)難度較大,但是它可以顯著提高激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)平臺(tái)的適用性,因此長(zhǎng)期以來(lái)一直是初始對(duì)準(zhǔn)研究

3、中的熱點(diǎn).與其它機(jī)電陀螺系統(tǒng)相比,激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)開(kāi)展較晚.因此,在公開(kāi)的資料中,對(duì)激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題的研究以數(shù)值仿真為主,與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的資料較少.本文則對(duì)GPS輔助的車(chē)載激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)中,首先,按照車(chē)載動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)的要求給出了SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差模型.然后,在不同的運(yùn)動(dòng)路徑上采集多組組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)每一組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行靜基座對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)的半實(shí)物仿真運(yùn)算.最后,對(duì)兩種對(duì)準(zhǔn)方法的仿真結(jié)果進(jìn)行比較,并給出對(duì)動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)結(jié)果的評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)采用離

4、線(xiàn)運(yùn)算的目的是為了方便對(duì)兩種對(duì)準(zhǔn)方法的結(jié)果進(jìn)28收稿日期:2006—12—28行比較.只要將離線(xiàn)運(yùn)算改為在線(xiàn)運(yùn)算,就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)解算.2系統(tǒng)組成和模型2.1硬件組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在硬件上由激光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS),GPS接收機(jī)和一臺(tái)便攜式計(jì)算機(jī)構(gòu)成.SINS包括IMU和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)兩部分,可以獨(dú)立地完成靜基座初始對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航解算.SINS中的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過(guò)高速串行總線(xiàn)與便攜式計(jì)算機(jī)連接,可以傳輸IMU中陀螺和加速度計(jì)的原始測(cè)量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)更新頻率為lOOHz.GPS接收機(jī)采用了GPS—OEM板,數(shù)據(jù)更新頻率1Hz,

5、通過(guò)串行總線(xiàn)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)連接.GPS的定位和速度信息在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中提取后,與SINS的原始測(cè)量數(shù)據(jù)一起以100Hz的更新頻率被送入便攜式計(jì)算機(jī).最后根據(jù)接收到的數(shù)據(jù),完成導(dǎo)航和濾波運(yùn)算.整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件組成如圖l所示.2.2組合方式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,SINS與GPS的數(shù)據(jù)組合采用分布式組合方案口].這種組合又稱(chēng)為GPS輔助SINS式組合或可分式組合.具體的講,就是把SINS作為主系統(tǒng),用來(lái)提供基本的導(dǎo)航定位輸出;用GPS作為輔助系統(tǒng),以其導(dǎo)航結(jié)果對(duì)SINS輸出進(jìn)行修正.導(dǎo)航誤差的估算和修正通過(guò)組合Kalman濾波器實(shí)現(xiàn):使用SIN

6、S的導(dǎo)航參數(shù)誤差GNSSWorldofChina/2007.2SINS………一圖1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件組成量作為濾波器的狀態(tài)變量,使用SINS與GPS的速度差作為Kalman濾波觀測(cè)量,對(duì)估算出的SINS姿態(tài)誤差,速度誤差采用反饋法進(jìn)行校正,對(duì)SINS的定位信息利用GPS定位結(jié)果進(jìn)行直接修正.分布式組合方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可靠性高.采用這種方案,只需要將SINS的誤差量列入組合系統(tǒng)的狀態(tài)變量,濾波器容易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);同時(shí),SINS與GPS的數(shù)據(jù)處理相對(duì)保持獨(dú)立,即使其中某一系統(tǒng)失靈,組合系統(tǒng)仍然能夠繼續(xù)給出定位結(jié)果,這也就保證了比

7、較高的可靠性.2.3動(dòng)基座對(duì)準(zhǔn)濾波模型選擇東北天坐標(biāo)系作為導(dǎo)航坐標(biāo)系.選取捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的失準(zhǔn)角,速度誤差,陀螺儀和加速度計(jì)的漂移誤差列入組合系統(tǒng)狀態(tài)變量.考慮到陸用車(chē)載的情況,忽略垂直通道的速度誤差和加速度計(jì)漂移誤差,得到十維狀態(tài)變量:x:[ENuaVE8VN￡￡￡](1)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:X-=A(t)X-k(￡)(2)IA1()A2()03×2J'式中,A(￡)一lA.(￡)A.(￡)0..J,其中:lO5×.Ir0cDsinL+VFtgL/RF——cDcosL--VF/RF_1A1(￡)一f一sinL～tgL/RF0一V

8、N/RNfLcosL+VE/R￡VⅣ/RⅣ0_lA.c=『_一/RⅣ],c:=匿堇蔓],A.c=[0U一00C2CC2rLtgL/R0CC^],A2(￡)=l1/RFI,c:=I22.I,A.(￡)=I:l,IIILrr—rrJFj313233j"一I--203~g2g]眨C