[發明專利]基于慣性網絡的分布式導航裝置及其信息融合方法

無效

• 申請號: 201210204151.X
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102679977A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 劉海穎;楊毅鈞;李靜;葉偉松;許蕾;華冰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明涉及一種基于慣性網絡的分布式導航裝置及其信息融合方法，屬于慣性導航定位技術領域。

背景技術

基于慣性傳感器網絡系統的分布式導航是一種新的導航系統設計理念，是在近年來新一代的低成本、小體積、輕質量導航傳感器（如光纖陀螺、光纖加速度計、MEMS慣性傳感器、GNSS接收機等）、高速大容量的嵌入式微處理器，以及分布式的模塊化電子設備結構的基礎上發展起來的新技術。分布式慣性導航系統是將多個慣性傳感器配置在運動載體（如飛機、艦船、大型航天器）的不同空間部位，為運動載體導航提供冗余的分布式測量信息。

各個傳感器網絡節點用來測量運動載體的局部導航信息，由慣性傳感器組件和微處理器模塊組成，所有傳感器網絡節點共同構成完全的分布式導航網絡結構。分布式導航機構通過重構和共享有限的機載計算資源，可以提高故障容錯水平，并能動態的配置傳感器系統功能。它由分布在運動載體各個關鍵部位的網絡節點組成，采用先進的慣性導航器件誤差估計、校準以及信息融合技術，確保網絡節點的慣性導航系統提供準確、實時的導航狀態測量。

分布式冗余結構是隨著網絡化、模塊化的電子設備發展而出現的新概念。慣性傳感器網絡節點安裝在運動載體的不同部位，為運動載體導航、機載（艦載、星載）武器系統提供慣性狀態信息，不僅滿足高性能導航系統的故障容錯需求，還能提供精確的局部慣性信息，用于局部運動的穩定和補償。不同部位的慣性傳感器可以采用相同類型和不同類型的傳感器，也可以采用具有相同誤差特性以及不同誤差特性的慣性傳感器。網絡系統拓撲是用來連接和描述不同傳感器系統之間的邏輯關系和物理聯接，目前聯邦結構和綜合模塊結構是兩種典型拓撲結構，其中邦聯結構通過共用數據總線連接，盡管具有一定的故障容錯能力，但沒有充分的利用目前計算機的快速處理能力；綜合模塊結構有利于設計可靠有效的電子系統。分布式慣性網絡是在綜合模塊結構基礎上，設計完全分布式連接拓撲。目前在國內已經初步研究了利用慣性網絡測量艦船甲板的變形，但還未見有公開報道關于分布式網絡在導航中的應用。

國內外對于導航系統信息融合技術已開展了深入研究，可以分為4類信息融合結構：集中式、瀑布式、聯邦式以及分布式。集中式濾波結構將所有導航傳感器的測量信息，采用綜合濾波器進行統一處理，目前的許多INS/GPS組合導航系統均采用該方法，理論上集中式濾波可以獲得導航狀態的最優估計，但是隨著傳感器數量的增加，濾波計算將過于復雜和耗時，而且不利于故障的診斷和隔離。瀑布式濾波結構是將前一個濾波器的輸出（包括狀態估計、誤差協方差等）作為下一級濾波器的輸入，該結構尤其適合擁有各自Kalman濾波器的單個導航設備的情況，然而實際中許多導航系統并不輸出所需的協方差等信息，而且該方法過分依賴于初級濾波器的性能。聯邦濾波器結構最初由Carlson提出，是為了提高多導航傳感器系統的故障容錯和精度，已作為美國空軍“公共濾波器”的算法基礎，具有計算量小、編排靈活等優點而備受青睞。聯邦濾波解決了集中式濾波的“維數災難”及故障隔離等問題，但仍然是基于單一模型的濾波，其所有的局部濾波器都應用了共同的參考導航系統模型，當實際系統模型發生改變或外部環境發生改變時，聯邦濾波對狀態估計的誤差就會增大，甚至發散，因此該濾波結構和算法不適合應用到分布式慣性網絡中，因為其沒有共同的系統狀態模型。

分布式濾波結構最初主要應用于分布式傳感器系統的目標跟蹤和識別，后來開始應用于導航系統的故障容錯中。與前面所述的濾波結構不同，分布式濾波結構并沒有標準的模型，根據所使用的信息不同，大體可分為測量融合和狀態融合。分布式濾波結構為設計多傳感器導航系統提供了最靈活的方案，目前已發展了多種分布式濾波算法，但多數并不適合直接應用于分布式的慣性網路系統中。將慣性網絡配置在載體的多個位置，各網絡節點間變形引起的誤差不能忽略，各網絡節點測量局部狀態，相互之間具有相對動態關系，需要建立局部運動模型和網絡節點間的動態關系，這是開展信息融合算法的基礎，但是對于該問題，國內外還鮮有研究報道。

發明內容

本發明以運動載體動力學模型為基礎，考慮慣性網絡節點間的動態關系，建立慣性網絡模型和局部運動模型，充分利用慣性網絡的測量信息，采用分布式信息融合方法，提出了一種基于慣性網絡的分布式導航裝置及其信息融合方法，提高導航系統性能。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：