一种基于多传感器综合导航的位置估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多传感器综合导航方法，特别是一种基于DR/GPS/DME/V0R综合 导航的位置估计方法，是一种非常适用于民用飞机高精度、高可靠性定位需求的方法。
【背景技术】
[0002] 对于民用飞机来说，安全性永远是第一位的。为了确保民用飞行的飞行安全，大型 民用飞机一般配备多种导航系统。如空客320配备有惯性导航系统、全球定位系统（GPS)、 测距仪（DME)、甚高频全向信标（V0R)、航位推算（DR)等多个导航设备用于定位。如何有效 综合利用多个导航设备信息进行位置计算，从而确保民用飞机的定位精度和可靠性，是民 用飞机设计过程中亟待解决的关键技术。
[0003] 惯性导航系统虽然能够自主提供全面的导航信息，但其误差会随着时间不断积 累，所以不能长期独立的进行精确导航。GPS在能够全天候、实时提供机载的位置和速度信 息，并且误差不随时间积累，但GPS存在依赖外部信息、易受无线电干扰、数据输出率低等 不足；VOR、DME等无线电定位系统的定位精度不受使用时间影响，但工作范围受地面台覆 盖区域的限制，且易受地场环境、电磁干扰等空间噪声影响。DR系统是利用机载已有的航 向、速度、姿态等传感器数据进行位置推算的自主导航定位系统，DR系统具有自主性好、抗 干扰性强、连续输出定位数据、短时间精度较高、成本低等优点，但系统误差随时间积累、不 能单独地长时间使用；上述各种单一的导航源各有优缺点，综合发挥各种导航系统的特点， 互相取长补短，将导航系统的信息综合起来，将提高导航定位的精度和可靠性，更好地满足 民用飞机对导航系统的要求。
[0004] 目前，传统的综合导航定位方式通常以惯性导航系统作为主导航系统，使用GPS、 DME及V0R等其他导航系统辅助进行组合，利用卡尔曼滤波实现飞机位置的估计，但是这种 方式不仅需要配备价格昂贵的惯性导航系统，并且模型和组合算法复杂。在工程实现中，采 用传统卡尔曼滤波方法进行组合导航时，由于受模型误差和计算过程中的舍入误差影响， 容易发生状态协方差矩阵失去对称性和正定性，从而导致滤波器失效。为确保导航的可靠 性，通常采用联邦滤波的方法实现多传感器的导航综合，但是这种方法计算量大，实时性 差。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决现有的民用飞机综合导航定位方法复杂、滤波器容易失效、计算 量大、实时性差，并且需要配置昂贵的惯性导航系统等问题，提出了一种基于多传感器综合 导航的位置估计方法，利用该方法能够为民用飞机提供高精度、可靠性高的位置数据。
[0006] 本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
[0007] -种基于多传感器综合导航的位置估计方法，包含以下步骤：
[0008] 步骤1、采集机载各导航设备输出的参数，所述参数包括：（1)DR系统输出位置、速 度信息；（2)GPS系统输出的位置、速度信息；（3)DME系统输出的斜距信息；（4)V0R系统输 出的方位角信息；（5)ADC系统输出的高度信息；
[0009] 步骤2、根据DR系统误差模型和ADC系统输出的高度信息建立状态方程；
[0010] 步骤3、利用DR系统的位置、速度信息与GPS的位置、速度之差求得GPS的位置、速 度量测方程；利用DR系统的位置信息与DME系统的斜距信息求得DME的斜距量测方程；利 用DR系统的位置信息与V0R系统的方位角信息求得V0R的方位角量测方程；
[0011] 步骤4、根据GPS的位置、速度量测方程、DME的斜距量测方程和V0R的方位角量测 方程建立综合量测方程；
[0012] 步骤5、结合状态方程和综合量测方程，估计位置误差量、速度误差量；
[0013] 步骤6、根据估计的位置误差量、速度误差量对DR系统进行输出校正，完成位置估 计。
[0014] 该方法无需使用惯性导航系统，具有定位精度高、可靠性高、实时性好、经济有效 且易于工程实现的特点。
[0015] 依据上述特征，所述状态方程为：
[0016] X{1) ^F(t)X{t) +W{t)
[0017] 其中：状态变量为：
[0018] X=[8L8A 8Vn 8Ve]t
[0019] 系统阵为：
[0020]
[0021] 系统噪声矢量为：
[0022]
[0023] SL、SA分别为炜度误差、经度误差；SVN、SVE分别为北向速度误差、东向 速度误差；VeSDR系统的东向速度；L为DR系统的炜度；h为ADC系统的高度；Rn = Re(l+fsin2L)，Rm=Re (l-2f+3fsin2L)，f为地球扁率，Re为地球半径；wL、1分别为DR系统 炜度白噪声、经度白噪声；％分别为DR系统北向速度白噪声、东向速度白噪声；T为 矩阵的转置；t为时间。
[0024] 依据上述特征，所述步骤3中GPS的位置、速度量测方程为：
[0025]
[0026] 其中为L、人、VN、别为DR系统的炜度、经度、北向速度、东向速度，LSPS、入SPS、 分别为GPS系统的炜度、经度、北向速度、东向速度，HePS= [H、H2ePSH3ePS H4ePS]T=diag[l1 1l]，VePSS零均值的高斯白噪声，且互不相关；
[0027] 所述DME的斜距量测方程为：
[0028] ZDME (t) -Ddr_Ddme -HDME (t)X(t) +VDME (t)
[0029] 式中
HDME=[aia2 0 0]，其中
[0030] ai= (RN+h)[-eiSinLcos入 _e2sinLsin入]+ [RN(l_f)2+h]e3cosL
[0031] a2=(RN+h) [e2cosLcos入-eposLsin入]
[0032]
xDR、yDR、z DR为DR位置在地球固 定坐标系下x、y、z方向的位置量，xDME、yDME、zDME为DME导航台位置在地球固定坐标系下x、y、z方向的位置量，Ddme为DME系统的斜距信息，VDME为零均值的高斯白噪声，地球固定坐标 系原点在地心，Z轴沿地球自转轴方向，x轴在赤道平面内，与零度子午线相交，y轴与x轴、 z轴构成右手直角坐标系；
[0033]所述V0R的方位角量测方程为：
[0041] xnDR、ynDRSDR位置在地理坐标系下x、y方向的位置量，xnVQR、ynV()RSV0R导航台位 置在地理坐标系下x、y方向的位置量，0TOR为V0R系统的方位角，V_为零均值的高斯白噪 声，地理坐标系以当前位置为原点，x轴指向正东，y轴指向正北，z轴指向天向与x轴、y轴 构成右手直角坐标系。
[0042] 优选地，为了避免不合理的量测信息引入到滤波系统中，提高了系统的稳定性和 可靠性，所述步骤4还包含在建立综合量测方程前先对位置、速度量测信息、斜距量测信 息、方位角量测信息进行量测信息合理性检查，如果存在合理的量测信息，将通过量测信息 合理性检查的量测信息纳入综合量测方程，并继续执行步骤5 ;如果各量测信息均不合理 时，则不建立综合量测方程，通过采用预测估计的方法进行位置误差量和速度误差量的估 计，并执行步骤6。
[0043] 依据上述特征，所述量测信息合理性检查的方法为：
[0044] 根据k_l时刻的状态估计值；^4，由状态方程得到k时刻系统状态的递推值 之似.，之.,，由此得到k时刻第i个量测量的预测值乏;: /M=戌尤制，进而得到第i个实 际量测值忠与量测量的预测值乏丨如之间的差值名.，即
[0045]
[0046]第i个量测量的理论预测误差的方差为+每》如果f>料#，则 第i个量测量满足合理性要求，否则量测信息不合理；
[0047] 其中Y为判断量测信息是否合理的门限值，i= 1、2、3、4、5、6表示依次对GPS炜 度、经度、北向速度、东向速度信息，DME斜距信息，V0R方位角信息进行合理性检查。
[0048] 依据上述特征，所述步骤4中