SINS/CNS組合模式研究

摘要：給出常用天文/慣性組合導航系統的工作方式。全捷聯方式下，探討SINS/CNS系統的三種組合模式。介紹各組合模式的原理，基于最優估計的組合模式，無推導給出系統狀態方程和量測方程，對各自特點進行分析總結。

關鍵詞：SINS/CNS組合導航 最優估計 組合模式

中圖分類號：N1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

1 工作模式

天文/慣性組合導航系統有多種工作模式，按慣性器件和星敏感器安裝方式[1]的不同，分為三種：

全平臺模式，采用平臺式慣導，星敏感器裝于慣導平臺。其特點是星敏感器工作在相對靜態環境中，測星精度較高。但因星敏感器安裝在平臺上，使平臺結構設計困難，且信息輸入、輸出方式及驅動電路亦較復雜。慣導平臺與星敏感器捷聯模式，采用慣導平臺，星敏感器采用捷聯方式裝在載體上。從未來發展趨勢看，全捷聯工作模式的組合導航系統更有發展前景，以下組合模式主要以全捷聯式組合方式分別介紹。

2 天文/捷聯慣導組合模式

組合導航系統的組合模式主要涉及狀態變量與量測變量的選取，捷聯慣性導航系統誤差模型的推導與狀態方程的建立，量測方程的建立。不同的組合模式，其組合導航系統的斂散性和導航精度也會不同。

2.1簡單組合模式

慣導系統獨立工作，提供姿態、速度、位置等導航數據；天文導航系統解算天文位置和姿態，對慣導系統的位置和姿態進行校正。該模式是最簡單最成熟的，在國內外己得到廣泛應用。

2.2基于姿態誤差最優估計的組合模式

該模式采用天文導航系統的量測信息，通過最優估計的方法來精確補償陀螺漂移。原理是精確提供航行載體坐標系相對慣性系的高精度姿態信息。因此星敏感器就相當于沒有漂移的陀螺，可以用天文量測信息修正慣性器件誤差。

由于天導解算的慣性姿態精度比慣導的高， 所以它可以看作為準確值；而慣導解算的慣性姿態存在誤差，不難分析這個慣性姿態誤差的唯一激勵源便是陀螺漂移。因此，通過慣性姿態誤差來估計并補償陀螺漂移的方法是可行的。由文獻[5]得慣性姿態誤差與陀螺漂移的數學關系：

，選取慣性姿態誤差與陀螺漂移: 作為狀態變量

狀態方程如下:

利用慣性誤差作為量測，量測方程如下：

，其中為觀測噪聲陣，其取值與天導系統的量測精度相適應。

捷聯慣導在初始對準完成后，由于傳感器誤差其確定的水平姿態與真實姿態仍然存在失準角誤差。水平對準后，水平姿態精度取決于水平加速度計的精度其對應關系為：

（2）

為重力加速度。對于天導系統，給定地理位置時，天導可精確得到載體水平姿態。即可利用天導給出的水平姿態角與慣導對準后確定的水平姿態，估計水平失準角，并通過可估算出加速度計的常值偏置，進而補償其輸出。

2.3基于恒星坐標角度值及角速度最優估計組合模式[5]

2.3.1狀態方程

組合導航系統狀態向量選取為捷聯慣導系統導航參數誤差、陀螺和加速度計的誤差狀態量，共計17個，捷聯慣導系統誤差包括經緯度誤差速度誤差和三個數學平臺誤差角，陀螺誤差包括三個一階隨機馬爾科夫過程漂移和三個隨機常值漂移，加速度計誤差包括3個隨機一階馬爾科夫過程漂移，可以在此基礎上建立系統的狀態方程為:

（3）

2.3.2量測方程

1）恒星坐標角度值量測方程

選擇某一顆恒星在地理系下的一組高度角和方位角與其在數學平臺系下的一組高度角和方位角之差作為一組量測值。不作推導直接給出量測方程為：

（4）

其中由時間基準、星歷與載體位置直接獲得。量測矩陣中的可由如下近似求得：由天導得到恒星i在載體坐標系中的坐標為，在給定載體位置后，可以由捷聯慣導導航計算機實時輸出載體系相對數學平臺系的轉換矩陣，根據式：，可以計算得到星光矢量在捷聯慣導數學平臺坐標系的坐標值，解算星光矢量，即可以得到數學平臺坐標系的坐標角度值。

2）姿態角速度量測方程[6]：

利用捷聯慣導陀螺儀直接輸出的載體相對慣性系的角速度與天導通過對離散的姿態角度差值遞推計算得到的載體相對慣性系的角速度：進行差值作為量測值，建立量測方程。由于陀螺儀直接敏感常值漂移和馬爾科夫漂移，量測噪聲只存在陀螺儀量測白噪聲和天導量測白噪聲。

將兩方程聯合，可得SINS/CNS組合導航系統量測方程：

3結論

文中探討了幾種常用的SINS/CNS組合模式。簡單組合模式下，兩個子系統相對獨立，構建容易。在已裝備慣導的條件下，當需要利用天導信息來短期提高慣導精度時，可以考慮采用此組合模式。模式2直接利用天導輸出的慣性姿態與慣導輸出的姿態之間的差值作為量測，來估計陀螺儀漂移，并對慣導陀螺儀進行修正；將天導輸出的水平姿態與慣導輸出的水平姿態之間差值作為水平姿態失準角，利用加速度計和水平姿態失準角之間的線性關系，直接獲得加速度計的常值偏置，并對其補償。此模式利用估計值補償慣性元件誤差源，從而可以根本提高慣導的定位精度，屬于組合導航模式的深耦合模式。但是，模式2簡單地將慣性元件誤差看作常值漂移，不具有一般性。模式3對系統狀態方程進行了狀態擴維，將慣性元件誤差看作隨機馬爾科夫偏移和常值漂移兩部分，具有普遍性。充分利用天導系統與慣導系統的觀測值，提高了系統的能觀性。但是，此模式具有17個狀態，系統階數高，給解算帶來了難度。

參考文獻

[1]房建成.天文導航原理及應用[M].北京航空航天大學出版社 2006.10

[2]何炬.國外天文導航技術發展綜述[J].艦船科學技術，2005，27(5):91296.