[發明專利]一種基于平滑變結構濾波的GNSS/SINS/磁力計的組合方法

在審

• 申請號: 202011432157.3
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112683270A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 張秋昭;黃偉;孫澳;王方田;鄭南山;李增科
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C21/16;G01C21/08;G01S19/45;G01S19/47
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 郝偉揚

本發明提供一種基于平滑變結構濾波、利用磁力計和加速度計提供的姿態角差觀測量來增強系統模型的可觀測性，同時將平滑變結構濾波運用其中以提高狀態變量的魯棒性的GNSS/SINS/磁力計的組合方法，包括步驟：步驟一，在SINS系統中挑選合適的狀態變量。步驟二，建立組合導航系統的狀態方程。步驟三，建立組合導航系統的量測方程。步驟四，構建系統模型的可觀測性矩陣，對系統模型進行可觀測性分析；根據分析結果，評價基于GNSS/SINS/磁力計的組合系統是否具備完全可觀測性；若是，則進行平滑變結構濾波的應用；若否，則重復步驟一到四，重新挑選狀態變量和相應的觀測量，設計新的狀態方程和量測方程，直至系統為完全可觀系統；步驟五，平滑變結構濾波的應用。

技術領域

本發明屬于組合導航定位技術領域，具體涉及一種基于平滑變結構濾波的GNSS/SINS/磁力計的組合方法。

背景技術

GNSS/SINS組合導航是常用的導航手段之一：全球導航衛星系統(GNSS)具有誤差不易發散，但衛星信號易受遮擋和干擾的特點；捷聯慣導系統(SINS)不受外界干擾，自主性強，但誤差容易積累。這兩種導航系統結合取長補短，能夠較好的完成導航任務。卡爾曼濾波是組合導航中常用的數據融合手段，但是該方法要求系統能夠提供準確的狀態方程和量測方程，且要求系統噪聲和量測噪聲為零均值協方差已知的高斯白噪聲，否則難以滿足要求。對于該問題。不少研究學者提出了擴展卡爾曼濾波(EKF)，無跡卡爾曼濾波(UKF)，粒子濾波(PF)等濾波方法。但或多或少存在一些不足，如將模型誤差處理為系統噪聲，濾波算法的魯棒性不足等缺陷。

平滑變結構濾波(SVSF)最早在2007年提出。這種濾波基于滑模變結構控制，采用變結構增益將預測的狀態變量糾正到系統真實狀態附近，因此是一種糾正預測濾波。該濾波因其引進了變結構控制概念而具有較強的魯棒性，對噪聲和不確定性不敏感。但是該濾波也存在不足之處，它要求被估計的系統具有完全可觀可控性。針對此不足，國內一些學者通過對組合導航系統模型的改進，使其完全可控可觀。有學者設計了位置速度六維狀態變量的組合導航模型；還有學者設計了一種降階卡爾曼濾波組合對準方法。但是這些組合對準方法不包含完整的基本導航參數(位置、速度、姿態)，無法應用于組合導航定位中。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術缺陷，提供了一種基于平滑變結構濾波、利用磁力計和加速度計提供的姿態角差觀測量來增強系統模型的可觀測性，同時將平滑變結構濾波運用其中以提高狀態變量的魯棒性的GNSS/SINS/磁力計的組合方法。

為了解決上述技術問題，本發明提供的基于平滑變結構濾波的GNSS/SINS/磁力計的組合方法，包括步驟：

步驟一，在SINS系統中挑選合適的狀態變量，包括慣導東北天向速度誤差[δV_E δV_NδV_U]、東北天向姿態角誤差[φ_E φ_N φ_U]、慣導位置誤差[δL δλ δh]。

步驟二，建立組合導航系統的狀態方程

步驟三，建立組合導航系統的量測方程Z＝HX+V。

步驟四，構建系統模型的可觀測性矩陣，對系統模型進行可觀測性分析；根據分析結果，評價基于GNSS/SINS/磁力計的組合系統是否具備完全可觀測性；若是，則進行平滑變結構濾波的應用；若否，則重復步驟一到四，重新挑選狀態變量和相應的觀測量，設計新的狀態方程和量測方程，直至系統為完全可觀系統；

步驟五，平滑變結構濾波的應用。

作為改進，步驟二中的組合導航系統的狀態方程具體公式為：

X＝[δV_E δV_N δV_U φ_E φ_N φ_U δL δλ δh]