申请/专利权人：中国人民解放军海军工程大学

申请日：2024-03-05

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN117908069A

主分类号：G01S19/47

分类号：G01S19/47;G01C21/16

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.05.07#实质审查的生效;2024.04.19#公开

摘要：本发明提供一种惯导‑卫星组合导航系统垂向精度提升方法，包括：获取SINS在不带计算误差的导航坐标系（n‑系）下的状态方程、带有计算误差（n’‑系）的状态方程；对这两种状态方程求差，得到误差方程；对误差方程求微分，得到误差微分方程；根据当前位置，利用高阶球谐模型计算的重力异常或重力仪提供的重力异常，对卡尔曼滤波的系统噪声矩阵进行重构，将垂向噪声变为重力异常和随机游走之和，得到新的系统噪声矩阵；进行自适应卡尔曼滤波，以自适应的形式抑制高度误差的发散，得到当前时刻的各导航参数。本发明所述一种惯导‑卫星组合导航系统垂向精度提升方法具有精度高、使用方便、成本低等特点，可广泛应用于导航系统中。

主权项：1.一种惯导-卫星组合导航系统垂向精度提升方法，其特征在于，所述垂向精度提升方法包括如下步骤：步骤1、获取SINS在不带计算误差的导航坐标系下的状态方程，如下： 其中，表示载体坐标系到不带计算误差的导航坐标系的方向余弦矩阵，表示方向余弦矩阵的微分；表示载体坐标系下的理想角速度矩阵，表示导航坐标系下不带计算误差的理想角速度矩阵，表示导航坐标系下不带计算误差的地球自转角速度矩阵，表示载体在导航坐标系下不带计算误差的转动角速度矩阵，表示的反对称矩阵，表示的反对称矩阵；表示载体在导航坐标系下不带有计算误差的三维速度矩阵，表示载体在导航坐标系下不带有计算误差的东向分速度，表示载体在导航坐标系下不带有计算误差的北向分速度，表示载体在导航坐标系下不带有计算误差的天向分速度；表示vn的微分，且分别表示载体在导航坐标系下东向分速度的微分、北向分速度的微分、天向分速度的微分；表示加速度计的理想比力；gn表示导航坐标系下不带有计算误差的理想重力向量；p＝[Lλh]T表示载体不带有计算误差的三维位置矩阵，L为不带有计算误差的纬度、λ为不带有计算误差的经度、h为不带有计算误差的高度；M表示位置系数矩阵；步骤2、获取SINS在带有计算误差的导航坐标系下的状态方程，如下： 其中，表示载体坐标系到不带计算误差的导航坐标系的方向余弦矩阵，表示方向余弦矩阵的微分，表示载体坐标系下带有计算误差的角速度矩阵，表示导航坐标系下带有计算误差的理想角速度矩阵，表示导航坐标系下带有计算误差的地球自转角速度矩阵，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的转动角速度矩阵，表示的反对称矩阵，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的三维速度矩阵，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的东向分速度，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的北向分速度，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的天向分速度；表示的微分，且分别表示载体在导航坐标系下带有计算误差的东向分速度的微分、北向分速度的微分、天向分速度的微分；表示带有计算误差的加速度计比力；表示导航坐标系下的带有计算误差的重力矩阵；表示带有计算误差的三维位置矩阵，为的微分，为带有计算误差的纬度、为带有计算误差的经度、为带有计算误差的高度；M表示位置系数矩阵；步骤3、由步骤2获取的SINS在带有计算误差时的导航坐标系下的状态方程减去步骤1获取的SINS在不带计算误差的导航坐标系下的状态方程，得到SINS在导航坐标系下的误差方程；步骤4、对步骤3得到的误差方程求微分，得到的误差微分方程如下： 其中，表示导航坐标系下载体的欧拉角误差向量，且θ、γ、ψ分别为导航坐标系下载体的俯仰角计算误差、载体的横滚角计算误差、载体的航向角计算误差，表示的微分，表示vn的微分，导航坐标系下载体总体速度计算误差矩阵表示导航坐标系下载体东向分速度计算误差，表示导航坐标系下载体北向分速度计算误差，表示导航坐标系下载体天向分速度计算误差；表示的计算误差；δp＝[δLδλδh]T表示导航坐标系下载体三维位置计算误差矩阵δL、δλ、δh分别表示导航坐标系下载体三维位置处纬度计算误差、经度计算误差、高度计算误差；表示p的微分，且为L的微分、为λ的微分、为h的微分；表示的计算误差，且分别表示的计算误差、的计算误差、的计算误差；表示导航坐标系下带有计算误差的理想角速度矩阵，表示b-系到n-系方向带有计算误差的方向余弦矩阵，表示导航坐标系下带有计算误差的地球自转角速度矩阵，表示载体在导航坐标系下带有计算误差的转动角速度矩阵，导航坐标系下地球自转角速度计算误差矩阵导航坐标系下载体转动角速度计算误差矩阵Δgn表示重力扰动；W1、W2分别表示载体三维位置第一权重系数矩阵、载体三维位置第二权重系数矩阵；步骤5、根据当前位置，利用高阶球谐模型计算的重力异常或重力仪提供的重力异常对卡尔曼滤波的系统噪声进行重构，将垂向噪声变为重力异常和随机游走之和，得到新的系统噪声矩阵： 其中，Qnew,k-1为被重力异常自适应调整后的系统噪声矩阵，webE、webN、webU分别表示东向陀螺漂移、北向陀螺漂移、天向陀螺漂移，wdbE、wdbN、wdbU分别表示东向加速度计零偏、北向加速度计零偏、天向加速度计零偏，ΔgU表示由球谐模型计算的或重力仪提供的重力异常；步骤6、对步骤4得到的误差微分方程进行如下自适应卡尔曼滤波：1234567其中，表示惯导-卫星组合导航系统在k时刻的状态估计向量，且表示惯导-卫星组合导航系统在k时刻的欧拉角误差估计向量，且分别为导航坐标系下载体的俯仰角计算误差估计值、载体的横滚角计算误差估计值、载体的航向角计算误差估计值；表示惯导-卫星组合导航系统的三维速度计算误差估计向量，且分别表示载体在导航坐标系下东向分速度计算误差估计值、北向分速度计算误差估计值、天向分速度计算误差估计值；表示惯导-卫星组合导航系统三维位置计算误差估计向量，且分别表示惯导-卫星组合导航系统三维位置处纬度计算误差估计值、经度计算误差估计值、高度计算误差估计值；ε＝[εbxεbyεbz]T表示载体坐标系下陀螺仪的漂移矩阵，εbx表示载体坐标系下陀螺仪在x坐标轴方向的漂移，εby表示载体坐标系下陀螺仪在y坐标轴方向的漂移，εbz表示载体坐标系下陀螺仪在z坐标轴方向的漂移；表示惯导-卫星组合导航系统对陀螺仪的漂移估计，且表示载体坐标系下加速度计的零偏矩阵，表示载体坐标系下加速度计在x坐标轴方向的零偏，表示载体坐标系下加速度计在y坐标轴方向的零偏，表示载体坐标系下加速度计在z坐标轴方向的零偏；表示惯导-卫星组合导航系统对加速度计的零偏估计矩阵，且zk表示惯导-卫星组合导航系统在k时刻的量测矩阵；H表示量测转移矩阵；Kk表示滤波增益矩阵；表示惯导-卫星组合导航系统根据载体在k-1时刻的状态估计向量由得到的一步状态预测向量；Fk|k-1表示预测状态转移矩阵；Pk-1表示状态误差协方差矩阵；Pnew,k,k-1表示新的被系统噪声矩阵调整后的预测状态误差协方差矩阵；表示新的被系统噪声矩阵调整后的量测预测相对于状态预测的误差协方差矩阵；表示新的被系统噪声矩阵调整后的量测预测误差协方差矩阵；Rk表示量测噪声矩阵；Knew,k表示新的被系统噪声矩阵调整后的滤波增益；表示状态误差预测向量；Pk表示状态误差估计向量对应的误差协方差矩阵；进而，得到当前时刻的各导航参数，包括：惯导-卫星组合导航系统在k时刻的欧拉角、上述各速度、三维位置以及惯导-卫星组合导航系统对陀螺仪的漂移、加速度计的零偏。

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百度查询： 中国人民解放军海军工程大学 一种惯导-卫星组合导航系统垂向精度提升方法

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