一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天捷联惯性导航技术领域中惯性组合定位领域，更具体地，设 及一种激光惯组与里程计组合导航方法及系统。
【背景技术】
[0002] 捷联惯导系统具有反应时间段、可靠性高、自主性好W及全天候应用等优点，广泛 应用于航空、航天及车载等军用和民用导航领域，在国防和经济建设中发挥着重要作用。
[0003] 惯性导航系统能实时地输出载体位置、速度W及姿态等信息，但是其难W克服导 航误差随时间累积的缺点。里程计是一种自主的距离信息测量传感器，它与惯性导航系统 组合之后能够起到抑制惯导误差发散的作用，因此采用惯性/里程计组合技术能够建立高 精度自主定位定向导航系统。
[0004] 激光惯组精度高、稳定性好，是实现高精度自主定位定向的重要组成。由于死区的 存在，激光惯组通常工作在机械抖动偏频模式下，在此模式下激光巧螺噪声较大，难W实现 高精度定向能力。因此考虑将激光惯组斜置，使惯组的=个正交轴与水平面保持一个较大 的角度，同时使得惯组绕天向轴旋转时工作在速率偏频模式下，此模式下激光惯组避开了 死区，且产生的噪声小、定位精度高。
[0005] 里程计测量的是车辆行进方向的路程，通过建立车体坐标系将里程计一维输出转 换为=位输出，再通过车体坐标系到惯组坐标系的转换W及惯组坐标系到导航坐标系的转 换得到里程计输出在导航系下的投影，通常情况下车体系到惯组坐标系是小角度，可W按 照线性补偿的方式进行转换。激光惯组在斜置状态下，=个正交轴与水平面的夹角都是大 角度，若W线性方式对车体系到惯组坐标系之间的转换进行补偿，则会导致误差过大。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的W上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光惯组与里程计组合 导航方法及系统，方法能有效修正组合导航误差量，大幅度提高组合导航精度，尤其适用于 惯组处于大角度斜置的情况。
[0007] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种激光惯组与里程计组合导航方法，所述 方法包括W下步骤：
[0008]S1、采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯组与里程计之 间的俯仰安装偏角ae和航向安装偏角a4，
[0009]
[0010] 所述
Aap0为矢量A。。第j个分量，j= 1，2, 3 ; C:(〇为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，为预 设时间内惯组导航解算的位移增量，K"d为里程计脉冲当量；
[0011] S2、建立状态方程支=FX+W，其中，F为状态转移矩阵，W为系统噪声，
4为惯导姿态误差，5yn为惯导速度误 差，5P为惯导位置误差，为巧螺漂移误差；巧"为加速度计偏置误差，里程计误差相关量 写。d= [SK"d，5a9, 5aJ，其中5K"d为里程计刻度系数误差，5ae为俯仰安装偏角误 差，5a4为航向安装偏角误差；
[001引 S3、建立量测方程Z=HX+V，其中V为量测噪声；量测量
累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量Z，所述 A忘为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移增量，为第i个采样周期内里程计 增量A砖在导航系下的位移投影；
[0013] 量测矩時
I为单位矩阵，
[0014]
[0015] S4、利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，W实时修正惯性导航系统参 数误差和器件参数误差，完成组合导航。
[0016] 相应地，本发明还提供一种激光惯组与里程计组合导航系统，所述系统包括：
[0017] 第一子模块，用于采集正常工作状态下第i个采样周期内里程计脉冲数Ni，求解惯 组与里程计之间的俯仰安装偏角a3和航向安装偏角a4，
[0018]
[001引所过
，Aap讯为矢量Aap第j个分量，j= 1，2, 3 ; q：(0为第i个采样周期内惯组坐标系与导航坐标系之间的方向余弦矩阵，I>s;ws为预 设时间内惯组导航解算的位移增量，K"d为里程计脉冲当量；
[0020] 第二子模块，用于建立状态方程丈=FX+w.其中，F为状态转移矩阵，W为系统噪 声，
4为惯导姿态误差，5vD为惯导速 度误差，5P为惯导位置误差，4为巧螺漂移误差；P6&;为加速度计偏置误差，里程计误差相 关量[5K"d，5ae，5aJ，其中5K"d为里程计刻度系数误差，5ae为俯仰安装偏 角误差，5a,为航向安装偏角误差；
[0021] 第；子模块，用于建立量测方程Z=HX+V，其中V为量测噪声；量测量
累积预设采样周期内惯导位移增量与里程计位移增量，并将二者之差作为量测量Z，所述A：^胃为惯组在第i个采样周期内导航系下的位移 增量，为第i个采样周期内里程计增量:ASf在导航系下的位移投影；量测矩阵
I为单位矩阵，
[0022]
[0023] 第四子模块，用于利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，W实时修正惯 性导航系统参数误差和器件参数误差，完成组合导航。
[0024] 总体而言，通过本发明所构思的W上技术方案与现有技术相比，主要具备W下的 技术优点；本发明给出惯组与里程计之间安装偏角估计方法，尤其适用于惯组处于大角度 斜置条件下的情况，通过安装偏角补偿后能精确计算里程计的位移增量；将预设个采样周 期内惯导位移增量与里程计位移增量的差值作为量测值，考虑了里程计的刻度系数误差 5K"d及安装偏角误差5ae、5a4,有利于通过卡尔曼滤波器进行估计，进而通过估计值 修正误差量，能大幅度提高组合导航精度。本发明计算简便，无需额外增加滤波器的维数， 易于实现，具有良好的工程应用价值。
【附图说明】
[00巧]图1为本发明激光惯组与里程计组合导航方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所设及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可W相互组合。
[0027] 本发明方法原理描述如下；
[0028] 里程计固定安装在车体上，与车辆的变速轴连接，通过转轴的转动传递至里程计 周期转动，里程计W脉冲的形式Ni输出，通过当量K"d(单位；m/脉冲）折算后得到采样时间 内里程计测量的路程增量在定义的车体坐标系m系下的投影，记为AS;"(上标表示所述路 程增量在定义的车体坐标系m系下的投影，下表i表示第i个采样周期），建立车体坐标系 m系与惯组坐标系b系之间的方向余弦矩阵巧,，将路程增量ASj"投影至惯组坐标系b系得 到路程增量在惯组坐标系b下的投影AS,6，有；
[0029]
[0030] 上式中，a4为车体坐标系m系与惯组坐标系b系之间的航向安装偏角，ag为车 体坐标系m系与惯组坐标系b系之间的俯仰安装偏差角，m系与b系之间的滚转安装偏差 角不影响路程增量的投影。根据上式得到路程增量在导航系n系下的投影：
[0031]
[0032] 上式中，为第i个采样周期内惯组坐标系b系与导航系n系之间的方向余 弦矩阵。由于惯组与里程计都固连于车体上，因此认为安装偏差角a4、a3不变，累计预 设时间（例如10分钟）内导航系n下的里程计增量，有；
[0033]
[0034] 累计该段时间内惯组导航解算的位移增量，考虑高精度惯组的位置误差 与行驶的距离相比为小量，将:作为实际位移增量的参考值，令：
[0038] 上式中A。,;为计算安装偏角的中间量，进一步得到安装偏角估计值为；
[0039]
[0040] 在组合导航过程中将计算得到的安装偏角补偿里程计算后得到里程计的位移增 量A§;'。在惯性导航基础上建立导航参数误差微分方程，选取状态量包括姿态误差、速度误 差、位置误差、巧螺误差和加速度计误差，同时将里程计的刻度系数误差5K"d及安装偏角 误差5ae、5a,列入状态量，建立状态空间微分方程。根据里程计位移增量与惯组位移 增量构造量测量，累积预设时间（通常设为1秒）内惯导位移增量ARWS与里程计位移增量 艺，并将二者之差作为量测值，即；
[0041]
[004引上式中XA矜?表示预设时间内惯组的位移增量，表示相同预设时间内 里程计的位移增量。根据量测量建立量测方程，对状态微分方程离散化后采用卡尔曼滤波 技术对各个误差量进行估计，修正姿态、速度、位置及器件误差。
[0043] W下对本发明方法具体实现步骤作说明。
[0044] 图1为本发明方法流程示意图。本发明方法包括W下步骤：
[0045] S1、按照采样周期AT实时采集正常工作状态下惯组脉冲数与里程计脉冲数Ni，求 解里程计与惯组之间的俯仰安装偏角a3和航向安装偏角a4，
[0046]
[0047] 所述
％第1个采样周期 内惯组坐标系b系与导航系n系之间的方向余弦矩阵，K"d为里程计脉冲当量，为 预设时间内惯组导航解算的位移增量；
[0048] S2、根据状态向量X建立状态微分方程乂 =F的X+w(〇,其中，F(t)为状态转移 矩阵，w(t)为系统噪声，X= [W)T(如")T(&P)T挺)T(K)t复/了，*为姿态误差， 5v"为速度误差，5P为位置误差，诗为巧螺漂移误差；!巧为加速度计偏置误差，
[5K。,，5a9, 5aJ，5K。,为里程计刻度系数误差，5ae为俯仰安装偏角误差，5a,为 航向安装偏角误差；
[0049]S3、建立量测方程，其中量测量
，所述为惯组在单个 采样周期AT内导航系下的位移增量，为单个采样周期AT内里程计增量么8；>在导航 系下的位移增量，累积预设时间内惯导位移增量与里程计位移增量，将二者之差作为量测 里?Z〇bs;
[0050] S4、利用所述状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波，W实时修正惯性导航系统参 数误差和器件参数误差，实现组合导航。
[0051] 其中，上述步骤S1中，本发明一个实施例的实现方式为：将激光惯组与里程计固 定安装于车载上（激光惯组=个正交轴与水平面的夹角都是大角度），车载保持静止，激光 惯组通电预热45分钟后开始初始对准，同时采集惯组