車(chē)載SINS／GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的在線標(biāo)定算法

摘要：從工程實(shí)用和維護(hù)的角度出發(fā)。提出一種針對(duì)于車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)的在線標(biāo)定算法。該算法使用卡爾曼濾波作為估計(jì)工具，通過(guò)趨于一般運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的路徑設(shè)計(jì)對(duì)待標(biāo)定的誤差項(xiàng)進(jìn)行有效激勵(lì)。仿真卡爾曼濾波結(jié)果表明，該算法使得待標(biāo)定的各誤差項(xiàng)根據(jù)車(chē)行軌跡在較短的時(shí)間內(nèi)逐步收斂，實(shí)現(xiàn)在一般跑車(chē)實(shí)驗(yàn)中不拆卸慣性器件而達(dá)到標(biāo)定的目的。這種在線標(biāo)定的處理方法在實(shí)際使用和維護(hù)具有極大便利。
關(guān)鍵詞：組合導(dǎo)航系統(tǒng)；在線標(biāo)定；卡爾曼濾波；路徑設(shè)計(jì)；激勵(lì)

    對(duì)于激光陀螺捷聯(lián)式組合導(dǎo)航系統(tǒng)，影響系統(tǒng)精度的主要誤差源有：慣性器件的刻度系數(shù)誤差、零位誤差及軸安裝不對(duì)準(zhǔn)角等。為了確保系統(tǒng)的對(duì)準(zhǔn)和導(dǎo)航精度，必須利用精密轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)以上誤差源進(jìn)行精確標(biāo)定。并通過(guò)系統(tǒng)軟件加以補(bǔ)償。
    一般情況下，在完成系統(tǒng)標(biāo)定后，若不對(duì)陀螺、加速度計(jì)進(jìn)行重新拆裝，則陀螺和加速度計(jì)的安裝偏角基本保持不變。但陀螺漂移和加速度計(jì)零位卻存在逐次啟動(dòng)不重復(fù)性誤差，尤其是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，相對(duì)于標(biāo)定值將產(chǎn)生很大差異，使系統(tǒng)無(wú)法滿足對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航精度要求。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常每隔幾個(gè)月將慣導(dǎo)系統(tǒng)從運(yùn)載體上拆卸下來(lái)，并安裝到轉(zhuǎn)臺(tái)上，重新標(biāo)定陀螺漂移和加計(jì)零位以改善系統(tǒng)性能。顯然，這種處理方法在實(shí)際使用和維護(hù)中比較繁瑣。
    為改善這種狀況并且達(dá)到延長(zhǎng)定期標(biāo)定周期的目的，提出組合導(dǎo)航系統(tǒng)相關(guān)誤差項(xiàng)在線標(biāo)定算法。該算法依據(jù)GPS高精度的位置、速度信息和捷聯(lián)系統(tǒng)本身導(dǎo)航輸出結(jié)果之間的差異，以捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置速度解算作為濾波器的觀測(cè)量，將慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本誤差項(xiàng)與加計(jì)的零偏、刻度因子誤差以及陀螺的常值漂移誤差作為狀態(tài)量，認(rèn)為GPS定位誤差是零均值的白噪聲，通過(guò)相應(yīng)的估計(jì)方法估算捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差和器件誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)常值誤差項(xiàng)的補(bǔ)償。

1 在線標(biāo)定算法
1．1 坐標(biāo)系定義
    本文定義i系為地心慣性坐標(biāo)系，e系為地球坐標(biāo)系，n系為導(dǎo)航坐標(biāo)系即東-北-天坐標(biāo)系，b系為載體坐標(biāo)系即右-前-上坐標(biāo)系。
1．2 卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)
    對(duì)于車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)，在定期標(biāo)定周期內(nèi)認(rèn)為系統(tǒng)的安裝誤差不發(fā)生變化，標(biāo)定的主要對(duì)象是慣性器件刻度系數(shù)誤差及常值誤差項(xiàng)。
因此這里的卡爾曼濾波選取系統(tǒng)誤差項(xiàng)以及陀螺、加計(jì)常值誤差和加計(jì)的刻度系數(shù)誤差作為濾波狀態(tài)量，共14維。

2 仿真驗(yàn)證及分析
2．1 路徑設(shè)計(jì)
    對(duì)所設(shè)計(jì)的SINS／GPS濾波器進(jìn)行1 200 s仿真，具體路徑描述如下：0～100 s，車(chē)體靜止，位置為(108．9l，34．245)；10l～310 s，車(chē)體向北加速到10 m／s。載體軸向加速度為1m／s2，并以10 m／s的速度北向運(yùn)動(dòng)到310 s，此時(shí)的位置為(108．91，34．265)；311～500 s，車(chē)體從311 s開(kāi)始向東轉(zhuǎn)彎，同時(shí)東向開(kāi)始加速到10m／s，載體軸向加速度為l m／s2，北向速度減為0，車(chē)體以10 m／s的速度東向運(yùn)動(dòng)到500 s；501～l 200 s，車(chē)體從501 s開(kāi)始向北轉(zhuǎn)彎，同時(shí)北向開(kāi)始加速到10 m／s，載體軸向加速度為l m／s2，東向速度減為零，車(chē)體以10m／s的速度北向運(yùn)動(dòng)到1 200 s。
2．2 仿真結(jié)果
    通過(guò)編寫(xiě)軌跡發(fā)生器、捷聯(lián)慣導(dǎo)算法、卡爾曼濾波組合導(dǎo)航算法對(duì)車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在線標(biāo)定算法進(jìn)行仿真，其各項(xiàng)具體仿真結(jié)果如圖1～圖3所示。

2．3仿真結(jié)果分析
    分析卡爾曼濾波仿真估計(jì)結(jié)果可以得到：
    1)車(chē)體進(jìn)行水平加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，水平姿態(tài)誤差開(kāi)始收斂，且估計(jì)效果與加速度大小和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。在車(chē)體各軸存在加速度輸入時(shí)，加計(jì)的刻度系數(shù)誤差可估。
    2)車(chē)體存在一定水平加速度時(shí)，相應(yīng)軸加計(jì)零位開(kāi)始收斂，由于從陀螺漂移到速度誤差需經(jīng)過(guò)兩次積分，所以使用速 度位置量測(cè)對(duì)于陀螺漂移估計(jì)速度較慢，尤其是天向陀螺。
    3)由于使用速度觀測(cè)，速度誤差可快速精確估計(jì)，從慣導(dǎo) 系統(tǒng)原理也能得到姿態(tài)誤差較易得到的結(jié)論，但是對(duì)于其他 誤差估計(jì)一般較慢。

3 結(jié)論
    通過(guò)仿真分析。驗(yàn)證車(chē)載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在線標(biāo)定算法的可行性。這種方法依靠車(chē)輛正常的行駛過(guò)程基本估計(jì)出相關(guān)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差量，但還存在一些需要改進(jìn)的地方，在提高導(dǎo)航精度的濾波方法以及實(shí)用性、快速性、便利性等方面，還可考慮用SINS／GPS／OD聯(lián)邦濾波或自適應(yīng)濾波實(shí)現(xiàn)。