[發明專利]慣性導航系統中跨音速段氣壓高度計和GPS信息兩步融合方法

有效

• 申請號: 201210401328.5
• 申請日: 2012-10-19
• 公開（公告）號: CN102937449A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 張旭;熊智;王融;吳璇;雷庭萬;劉建業;方崢;邵慧;姚小松;劉偉霞;張承
• 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;G01S19/49
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

1.一種慣性導航系統中跨音速段氣壓高度計和GPS信息兩步融合方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步：互補濾波融合；

步驟（1），航空機載氣壓高度計測量的高度h_ADS和GPS測量的高度信息h_GPS，經過互補濾波器環節處理后進行融合，得到融合后的高度h_p為：

hp=shADS+khGPSs+k---(1)]]>

其中，k為截止頻率，s為拉普拉斯變換；

步驟（2），對步驟（1）模型離散化，可得到如下濾波方程

其中，T為采樣周期，為互補濾波融合高度；

第二步：卡爾曼濾波融合；

步驟（3），通過對慣性導航系統的性能及誤差源的分析，建立基于大氣輔助的航空機載慣性導航系統的誤差狀態方程為：

X·(t)=F(t)X(t)+G(t)W(t)---(3)]]>

其中，X(t)為連續系統在t時刻的狀態矢量，F(t)為連續系統在t時刻的狀態系數矩陣，G(t)為連續系統在t時刻的誤差系數矩陣，W(t)為連續系統在t時刻的白噪聲隨機誤差矢量；

航空機載慣性導航系統誤差狀態量X定義為：

X=[φE,φN,φU,δvE,δvN,δvU,δL,δλ,δh,ϵbx,ϵby,ϵbz,ϵrx,ϵry,ϵrz,▿x,▿y,▿z,δhp]T,]]>

其中φ_E,φ_N,φ_U為平臺誤差角；δv_E,δv_N,δv_U為速度誤差；δL,δλ，δh為緯度、經度和高度誤差；ε_bx，ε_by,ε_bz為陀螺常值漂移誤差，ε_rx,ε_ry,ε_rz為一階馬爾可夫漂移誤差；為加速度計零偏，δhp為氣壓高度計經步驟(2)得到的互補濾波融合高度，其模型方程表達式為：

δh·p=-vdTpδhp+ωp---(4)]]>

式中，v_d為飛行地速，T_p為氣壓相關系數，ω_p為測量誤差高斯白噪聲；

步驟（4），采用航空機載地理系下位置線性化觀測原理，建立航空機載地理系下位置觀測量和步驟(3)所述的誤差狀態量中的高度誤差狀態量之間線性化誤差量測方程，其表達式如下：

Z(t)=hI-hGhI-hp=δh+v1δh+δhp=H(t)X(t)+V(t)---(5)]]>

其中，Z(t)為連續系統在t時刻的量測矢量，H(t)為連續系統在t時刻的量測矩陣，V(t)為連續系統在t時刻的量測噪聲。

h_I表示慣性導航系統的位置信息：h_I=h_t+δh；

h_G表示GPS接收機給出的位置信息：h_G=h_t-v₁；

h_p表示氣壓高度的位置信息為：h_p=h_t-δh_p；

其中，h_t為高度的真值，δh為高度誤差，v₁考慮為高斯白噪聲；

步驟（5），進行誤差狀態方程和誤差量測方程的離散化，獲得慣性導航系統的線性化卡爾曼濾波器，實現基于大氣高度輔助的INS/GPS高精度組合導航，具體如下：

a，進行誤差狀態方程和誤差量測方程的離散化，其離散化形式如下：

Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1Zk=HkXk+Vk---(6)]]>

式中Φk,k-1=Σm=0∞[F(tk)T]m/m!,]]>Γk-1={Σm=1∞[1m!(F(tk)T)m-1]}G(tk)T,]]>時刻k、變量m為自然數，T為迭代周期；

b，獲得系統的線性化卡爾曼濾波器方程如下：

X^k=X^k|k-1+Kk[Zk-HkX^k|k-1],]]>其中：X^k|k-1=Φk,k-1X^k-1;]]>

Pk=(I-KkHk)Pk|k-1(I-KkHk)T+KkRkKkT,]]>其中：

Kk=Pk|k-1HkT(HkPk|k-1HkT+Rk)-1,]]>Pk|k-1=Φk,k-1Pk-1Φk,k-1T+Γk-1Qk-1Γk-1T;]]>

上式中P_k為系統k時刻的最優濾波誤差協方差陣，K_k為系統k時刻的濾波增益，P_k/k-1為系統k時刻的一步預測均方誤差，Q_k,R_k分別為系統k時刻的噪聲方差矩陣和量測方差矩陣。

2.根據權利要求1所述的一種慣性導航系統中跨音速段氣壓高度計和GPS信息兩步融合方法，在進行第一步互補濾波融合之前，還包括采用故障檢測與隔離算法判斷GPS傳感器是否有故障的步驟，具體如下：

①計算故障檢測函數λ(k)：

γ(k)=Z(k)-Zgps(k)λ(k)=γT(k)γ(k)---(7)]]>

式中，Z(k)為捷聯慣性導航系統高度信息最優估計值，Z_gps(k)為GPS高度輸出值；

②故障判斷的準則為：

式中，T_D1、T_D2為預先設定的門限；

③若判斷出GPS系統無故障，則執行步驟（1）至步驟（5）進行氣壓高度計和GPS信息兩步融合；

若判斷出GPS系統有故障，則對GPS系統進行隔離，并通過系統重構不致因故障而失效，當隔離GPS后系統處于跨音速階段，切斷氣壓高度計實施純捷聯慣性導航；當隔離GPS后系統處于跨音速以外階段，對氣壓高度計實施高度通道阻尼；

當檢測到GPS系統恢復正常后，再執行步驟（1）至步驟（5），重新進行氣壓高度計和GPS信息兩步融合。