[發明專利]一種全源BeiDou/SINS彈性狀態觀測器模型設計方法

有效

• 申請號: 202010894489.7
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN111982126B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 丁國強;凌丹;趙朋朋;婁泰山;張煥龍;趙素娜;王曉雷;王妍
• 申請（專利權）人: 鄭州輕工業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16;G01S19/49
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張真真

本發明提出了一種全源BeiDou/SINS彈性狀態觀測器模型設計方法，利用全源彈性PNT服務體系的導航定位系統概念框架，以無人飛行器平臺應用的全源彈性PNT導航定位系統為對象，以精確SINS子系統為核心，以多源BeiDou導航系統、磁力計等導航設備設計全源彈性PNT組合導航系統姿態旋轉和平移運動非線性彈性觀測器方程，把多源導航設備數據構建融合為系統模型方程的注入項算子和彈性修正函數，提出新型全源彈性PNT導航定位系統的級聯式非線性姿態?平移運動彈性觀測器理論與算法解決方案，滿足無人飛行器運動對象的復雜應用環境下全源彈性PNT組合導航定位系統快速精確計算的技術性能要求，有效改善系統狀態向量參數的計算精度。

技術領域

本發明屬于航空航天航海領域的導航定位授時(Positioning、Naviagtion andTiming，PNT)服務中的系統信息處理技術領域，特別是指一種全源BeiDou/SINS彈性狀態觀測器模型設計方法。

背景技術

無人機導航定位主要有慣性導航系統(Inertial navigation system,SINS)，為運載體提供位置、速度和姿態數據信息，目前采用最多的是捷聯(Strip)慣性導航系統(SINS)，利用三軸加速度計和陀螺儀傳感器；全球衛星導航系統(Global NavigationSatellite System,GNSS)，包括我國的BeiDou導航系統，美國GPS系統和Galileo系統等，GNSS以導航衛星為基站，能夠提供精確的三維位置、速度和時間信息，但是存在著GNSS信號被遮蔽或者人為干擾等缺陷，同時SINS系統存在著導航誤差會隨時間累積，慣性器件精度受到工藝水平和成本限制，普通精度純慣導系統不能滿足長航時導航應用要求。很明顯目前單一導航方式難以滿足運載體高精度長航時穩定導航的技術需求，組合導航技術與系統成為無人機飛行器導航定位技術發展的主要方向。但是隨著微傳感器技術、物聯網通信技術、計算機技術以及現代控制理論發展，越來越多的實時定位與導航傳感數據可以有效融合到GNSS和INS組合導航系統中去，構成了分布式多源組合導航定位系統架構，由此楊元喜院士提出了彈性PNT框架概念，目前國家自然科學基金支持了水下潛器的彈性PNT體系算法與系統研究工作。

全源組合定位導航系統離不開多源傳感數據信息融合問題，目前多傳感器信息融合技術已經在導航定位領域獲得廣泛應用，傳統組合導航系統利用多源傳感器物理模型來構建運載體定位導航系統的觀測器模型，采用Kalman濾波理論與算法開展運載體導航系統狀態變量估計計算，從而為導航制導律提供狀態數據，隨后以Bayesian濾波理論框架構建的隨機Kalman最優濾波算法獲得快速發展和完善，如EKF算法、UKF算法、CDKF算法、CKF算法和PF算法，以及SMF算法等等，但是非線性Bayesian濾波框架下的濾波算法都存在著收斂性不清晰，算法計算精度受到高階截斷誤差影響，濾波參數整定困難，同時計算量很大，濾波計算效能較低的缺陷。因此近年來基于非線性穩定性理論發展起來的非線性觀測器方法逐步引起學者注意，非線性觀測器理論是一種具有全局指數穩定的確定性建模方法，它沒有假設系統噪聲具體特性，觀測器估計數據對于干擾噪聲和初始條件不確定性具有較強魯棒性；它利用多源導航傳感數據設計系統姿態和平移運動誤差注入項算子圍包系統狀態測量值和估計值的差值驅動系統狀態變量逼近系統狀態真實值，利用線性系統理論方法展開模型計算處理過程，這樣可以有效避免EKF算法的線性化操作；組合導航系統的非線性觀測器分為系統姿態觀測器和平移運動觀測器兩部分，對于姿態觀測器可以由獲得的姿態直接測量值或者是向量測量值和已知的參考向量間的比較值開展姿態建模設計，平移運動觀測器則是根據GNSS/INS組合模式，采用不同的觀測量如位置向量，若引入無人機地面起伏運動的虛擬垂直參考系統，垂向位移矢量和GNSS接收機水平面內的兩個分量組合構成三維位移向量；松組合模式中列出速度向量方程，而緊組合模式中需要列出鐘差量誤差方程；雙差分GNSS模式中需要考慮頻偏誤差模型方程等。

發明內容