一種新型的偽衛星輔助下的慣導初始對準方法

管春洋,卿 立,何 偉

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

一種新型的偽衛星輔助下的慣導初始對準方法

管春洋,卿 立,何 偉

(北京自動化控制設備研究所，北京 100074)

靜基座且已知載體位置的情況下,INS可以快速地完成初始對準,但是在野外環境下通常無法快速地給出初始位置。偽衛星具有鋪設簡單快捷,不易受到破壞的特點,適合在未知環境下作為GNSS系統的補充來輔助定位。但是在GNSS拒止的情況下，如果單獨使用偽衛星(PL)來進行定位會存在定位結果誤差較大等問題,難以輔助INS系統完成初始對準。為了解決GNSS拒止情況下偽衛星輔助慣性導航系統進行初始對準存在的問題,提出了以高度傳感器輔助下的PL定位算法,利用該算法得到準確的位置信息進而實現GNSS拒止條件下INS系統的初始對準,滿足高精度的INS系統在復雜環境下的使用需求。

慣導對準；偽衛星；氣壓高度輔助

0 引言

近年來隨著我國自主研發的北斗衛星導航系統的建設逐步建成與完善,北斗衛星導航系統作為全球四大衛星導航系統之一得到了廣泛的關注[1],同時隨著電子技術的發展,衛星導航系統的應用也越來越廣泛[2]。對于組合導航系統來說,在低動態高信噪比的條件下，GNSS接收機可以自主完成衛星導航信號的捕獲,此時衛星導航接收機可以輔助INS單元進行動基座的傳遞對準[3],系統無需進行地面靜基座的對準,從而縮短了INS單元的初始對準時間,提高了整個系統的效率。

GNSS/INS組合導航系統雖然可以提高整個系統的性能,但是在GNSS系統受到干擾時同樣也會影響INS系統的性能,甚至導致組合導航系統發散。為了提高組合導航系統的魯棒性,文獻[4]提出了基于偽距誤差重建的多星故障檢測方法,文獻[5]提出了基于子p集值檢驗的慣性/衛星緊組合多星故障識別方法,以上這些方法都提高了組合導航系統在衛星出現故障時的性能。但是如果GNSS系統出現嚴重故障時即GNSS拒止條件下，現有的方法無法保證GNSS系統的可用性,進而也無法完成對INS系統的對準,此時INS系統需要獨立完成初始對準。在靜基座且已知載體位置的情況下,INS系統可以快速地完成對初始對準,但是在野外環境下通常無法快速地給出準確的初始位置,需要借助于外部信息輔助來完成初始位置裝訂。偽衛星具有鋪設簡單快捷,且不易受到攻擊與干擾的特點,適合在野外環境下作為GNSS系統的補充來輔助定位。但是在實際中如果單獨使用偽衛星來進行定位會存定位誤差過大等問題,無法滿足INS靜基座對準的需要,因此本文提出了一種高度傳感器輔助下的偽衛星定位方法,利用該方法得到準確的位置信息進而實現對慣導的初始對準。

1 INS的靜基座初始對準基本原理

1.1 粗對準原理

粗對準的計算采用直接解析法,即通過矩陣運算直接求解出載體的姿態信息,該方法的優點是運算量較小,計算時間較短,但是對準精度較差且無法對傳感器的誤差進行估計。該方法的具體計算步驟如下。

首先構造矢量V=g×ω,矢量V滿足式(1)

(1)

其中，Vb、Vl如下所示:

Vb=gb×ωb

Vl=gl×ωl

進而得到式(2)

(2)

由于方向余弦矩陣滿足如下所示

(3)

(4)

(5)

1.2 精對準原理

在完成粗對準之后繼續對慣導進行精對準以消除平臺失準角并對慣性器件的誤差進行校正。精對準解算利用Kalman濾波技術來得到平臺失準角信息并對慣性器件的誤差進行校正,因此應對系統進行建模得到相應的狀態方程與量測方程。由于載體處于靜止狀態因此相應的狀態向量X如下式所示[8]

(6)

其中，E、N、U代表東北天坐標系的東向、北向、天向。x、y、z代表載體坐標系的x軸、y軸、z軸。δv為速度誤差量,φ為平臺失準角,δa為加速度計誤差,δε為陀螺儀誤差。

精對準時狀態向量的微分形式如式(7)所示

(7)

其中，矩陣F1、F2如式(8)、式(9)所示,R為地球平均半徑,國際上一般取值為6367.56km[9-10]。

(8)

(9)

(10)

(11)

利用Kalman濾波技術并結合相應的狀態方程與量測方程即可完成對INS的精對準。

由以上的推導可以看到,INS的粗對準與精對準過程都需要已知接收機的位置信息,在GNSS失效且處于野外的條件下,單獨利用INS傳感器難以實現INS的靜態初始對準,需要外部提供位置信息以輔助INS的初始化。因此可以考慮利用偽衛星系統快速地獲得載體的位置信息來輔助INS的靜基座初始對準,提高INS系統的定位精度與初始對準速度。

2 偽衛星定位中存在的問題

定位結果的三維分布圖如圖1所示。可以看到，在常規的幾何分布下,利用偽衛星定位的結果誤差非常大,無法應用于INS的靜基座初始對準。在不考慮測距誤差的情況下對空間位置精度因子(PDOP)進行分析,結果如圖2所示,PDOP的值約為3200左右,此時的PDOP值無法滿足定位的精度要求。為了進一步定位問題,同時對比了水平位置精度因子(HDOP)與高程精度因子(VDOP),對比結果如圖3所示?？梢钥吹?，VDOP的值與PDOP的值接近,而HDOP的值較小。

表1 基站位置Tab.1 The position of the base station

圖1 定位結果三維分布圖Fig.1 Three -dimensional diagram of the position

圖2 定位結果的PDOP值Fig.2 PDOP of the position

圖3 PL定位結果的HDOP與VDOP對比Fig.3 The compare between HDOP and VDOP

因此得出如下的結論,常規的偽衛星布設方案雖然具有布設簡單、易于實現的優點，但是利用偽衛星對靠近地面的載體進行定位時,由于VDOP較大,導致定位誤差較大,無法滿足精度要求,但是HDOP的值很小,是符合定位精度要求的。如果能夠由外部得到準確的高度信息,仍可以利用偽衛星完成定位的工作。

目前高精度的氣壓高度表的精度在短時間內可達2m,分辨率可達0.1m,完全可以滿足定位精度的要求[11]。因此本節提出了利用高度傳感器輔助偽衛星的定位算法,利用該算法可以有效地消除偽衛星定位中VDOP過大對定位結果的影響,得到準確的定位結果。

3 基于高度傳感器輔助的偽衛星定位算法

由之前的分析可知,造成偽衛星單獨定位結果較差的原因為VDOP值過大,因此如果利用高度傳感器來提供高度信息即可避免定位結果的發散。

(12)

對其進行線性化后如式(13)所示

HhsΔrPL=bPL

(13)

其中:

(14)

In=

(15)

ΔrPL=rPL-rPL_k-1

(16)

(17)

其中，Hhs為雅克比矩陣,rPL_k-1為迭代運算的上一次結果,bPL為殘差向量。

在完成了高度傳感器輔助下的定位算法的建模后,利用以上的數學模型結合牛頓迭代法以及最小二乘法即可得到載體的位置信息[12]。

4 仿真與分析

為了對設計的算法進行仿真,仿真場景與第2節一致。偽衛星的測距誤差為2m,高度傳感器的誤差為2m,分辨率為0.1m。經過仿真得到載體的定位結果三維分布如圖5所示,東向、北向以及天向的定位誤差如圖6所示。由仿真圖可以看到,設計的高度傳感器輔助下的偽衛星定位方法可以有效地消除由于VDOP過大造成的定位發散問題,提高了偽衛星系統的性能。由該方法得到的區域定位結果可以應用于GNSS拒止環境下的野外INS靜基座對準,提高了INS系統的性能與應用范圍。

圖4 定位結果分布圖Fig.4 The figure of the position

圖5 定位誤差Fig.5 The error of the position

5 結論

野外環境GNSS拒止條件下利用偽衛星可以輔助INS系統完成靜基座初始對準,針對GNSS拒止條件下,單獨使用偽衛星時存在的定位誤差較大無法滿足靜基座初始對準要求的問題,本文首先研究了單獨使用偽衛星定位誤差較大的原因,在以上研究的基礎上提出了一種高度傳感器輔助下的偽衛星定位方法并設計了相應的定位算法,該方法可以有效地消除由于VDOP過大造成的定位發散問題,提高了偽衛星系統的性能。由該方法得到的區域定位結果可以應用于GNSS系統失效下的野外INS靜基座對準,提高了INS系統的性能與應用范圍。

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A New Method of Initial Alignment Assisted by Pseudo-Satellites

GUAN Chun-yang， QING Li， HE Wei

( Beijing Institute of Automatic Control Equipment,Beijing 100074,China)

Under stationary base and the known location of the carrier, the INS can complete the initial alignment, but the obtainment of the initial location is difficult in the wild.Pseudo-satellites with the laying of simple and quick, less susceptible to damage, is suitable as a supplement positioning of GNSS in unknown environment.But in the case of GNSS denial,and used pseudo-satellite positioning alone it will cause large errors in positioning result, cannot assist the initial alignment of INS.In order to solve the problem in pseudo-satellite aided INS initial alignment under GNSS denial, this paper presents a pseudo-satellite positioning algorithmwith height sensor assisted.With accurate position information obtained by the algorithm, the initial alignment of INS is completed under the GNSS denial, meeting the need of high-precision INS in a complex environment.

Alignment of INS; Pseudo-satellites; Atmospheric pressure altitude aided

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.03.003

2016-07-16；

2016-08-16

裝備預研共用技術課題(41417040301)

管春洋(1990-)，男，碩士，主要從事慣性衛星組合導航技術方面的研究。E-mail:gcyhit@163.com

U666.1

A

2095-8110(2017)03-0017-05