一种用于导航算法的仿真验证方法和仿真验证平台与流程

本申请涉及仿真验证分析领域，特别涉及一种用于导航算法的仿真验证方法和仿真验证平台。

背景技术：

导航技术的广泛应用以及捷联惯导的诸多优点，使其成为人们研究的一个重要方向。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，系统仿真技术日益成熟。在获得真实的飞行轨迹数据非常困难的情况下，一个解决飞行轨迹数据和惯性器件输出参数来源困难问题的导航算法仿真验证平台显得尤为重要。

导航算法仿真和验证平台实现对飞行器飞行过程中的位置、速度、姿态信息以及陀螺仪、加速度计输出数据进行模拟仿真，如果验证捷联导航算法与gps/北斗组合导航算法，还需要提供gps输出数据包括位置、速度、伪距、伪距率等。利用仿真数据进行导航算法测试。通过仿真，得出导航算法计算得到的飞行器当前速度、位置、姿态信息以及相应的误差信息，能够检验不同捷联导航算法的性能。此外，平台还可以通过程序调用，程序移植，实现混合编程和系统的工程实践。

技术实现要素：

为解决上述问题之一，本申请提供了一种用于导航算法的仿真验证方法和仿真验证平台。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种用于导航算法的仿真验证方法，该方法的步骤包括：

对预先规划的轨迹过程进行求解，获得标准飞行轨迹数据和惯性器件输出参数；

根据卫星在轨位置和速度，筛选可见可用的gps卫星，并确定最优gps导航星以及gps数据信息；所述gps数据信息包括gps伪距、伪距率、位置和速度；

以所述惯性器件参数和gps数据信息作为预先编写的导航算法的输入，将算法解算的航迹结果和所述标准飞行轨迹数据进行比对和误差分析，获得验证结果。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种用于导航算法的仿真验证平台，该平台包括：

可规划轨迹发生器，对预先规划的轨迹过程进行求解，获得标准飞行轨迹数据和惯性器件输出参数；

gps卫星仿真器，根据卫星在轨位置和速度，筛选可见可用的gps卫星，并确定最优gps导航星以及gps数据信息；所述gps数据信息包括gps伪距、伪距率、位置和速度；

仿真验证模块，利用内置算法库的导航结果作为参考，以所述惯性器件参数和gps数据信息作为预先编写的导航算法的输入，将算法解算的航迹结果和所述标准飞行轨迹数据进行比对和误差分析，获得验证结果。

本申请所述技术方案能够检验sins/gps紧耦合组合导航算法、sins/gps松耦合组合导航算法、sins算法等不同捷联导航算法的性能，尤其是提供紧耦合组合导航算法的信息输入和验证平台，为导航算法的研究者提供一个理想的验证平台。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本方案所述微分方程求解流程的示意图；

图2示出本方案所述gps卫星仿真器工作流程的示意图；

图3示出本方案所述sins惯性导航系统的示意图；

图4示出本方案所述kalman滤波原理图的示意图；

图5示出本方案所述松耦合kalman滤波算法的示意图；

图6示出本方案所述紧耦合kalman滤波算法的示意图；

图7示出本方案所述仿真验证方法的示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本方案的核心思路是通过预先设计的规划轨迹发生器、gps卫星仿真器、内嵌算法库、算法评估显示等功能单元，检验sins/gps紧耦合组合导航算法、sins/gps松耦合组合导航算法、sins算法等不同捷联导航算法的性能，尤其是提供紧耦合组合导航算法的信息输入和验证平台，为导航算法的研究者提供一个理想的验证平台。

本方案公开了一种解决飞行轨迹数据和惯性器件输出参数来源困难问题的导航算法仿真验证方法，该方法通过可规划轨迹发生器对用户自主规划轨迹过程进行求解，得到标准飞行轨迹数据和惯性器件输出参数；再利用gps卫星仿真器通过卫星在轨位置和速度计算、gps卫星可见可用判别、gps最优导航星选择、gps数据仿真等步骤，模拟输出gps伪距、伪距率、位置、速度等信息；最后，利用导航算法仿真验证模块，以可规划轨迹发生器输出的惯性器件参数和gps卫星仿真器输出的gps信息作为用户自编导航算法的输入，将算法解算的航迹结果和标准飞行轨迹数据进行比对，从而完成二者的误差显示与分析；其中，可以利用平台内嵌的算法库导航结果可以作为参考。本方案具体的步骤为：

第一步设计可规划轨迹发生器，对用户自主规划轨迹过程进行求解，得到标准飞行轨迹数据和惯性器件输出参数

可规划轨迹发生器产生惯性导航需要的陀螺和加速度计原始数据，同时产生载体的准确位置、速度、姿态信息作为基准。

由于从惯性器件中采样得到的数据含有各种误差，如随机误差、量化误差等，这些误差的存在不利于算法的调试、分析和评价，因此利用软件仿真的方法模拟航行轨迹对捷联导航算法和组合导航算法进行仿真研究是必要的。

航迹仿真的目的是生成惯性器件信息源(比力和角速度)，并给出相应航迹点的航行参数(姿态、速度和位置)。航迹仿真的方法是根据设定的航行运动状态解算一组航迹微分方程组，通常利用计算机求该微分方程组的数值解，数值解法中常用到的是四阶龙格库塔法。

一般载体航行是相对于地球表面而言的，其基本运动状态的改变可以看作是由载体姿态角和航向角的变化(用ω(t)表示)以及载体的轨迹加速度(用a^t(t)表示)发生改变引起的。t系为轨迹坐标系，x轴水平向右，y轴与轨迹相切指向轨迹前进的方向，z轴与y轴在铅直面内。

这些运动主要包括^[18]：

(1)静止或匀速直线运动，姿态角和航向角的变化率为0，轨迹坐标系上的加速度也为0，即ω(t)＝0，a^t(t)＝0；

(2)直线加速或减速，加速时载体姿态角和航向角不变，沿轨迹坐标系前进的方向有常值加速度a，即ω(t)＝0，a^t(t)＝[0a0]^t；

(3)转弯，设定为匀速圆周运动，载体沿轨迹前进的方向的速度保持不变。设转弯时速度为v，半径为r，载体航向角以等角速率逐渐增加或减小到设定的角度θ，用时t，则有ω＝θ/t，转弯时的向心力为a＝ω·v＝r·ω²，即ω(t)＝[00ω],a^t(t)＝[a00]^t；

(4)上升或下降，载体在铅直面上作匀速圆周运动，设半径为r，载体俯仰角以等角速率ω逐渐增加或减小到设定的角度θ，用时t，则有ω＝θ/t，向心力为a＝ω·v＝r·ω²，即ω(t)＝[ω00],a^t(t)＝[00a]^t。

航迹微分方程组可以分为两部分，一部分是关于载体姿态、速度、位置的微分方程，用于航行航迹参数的求解；另一部分是角速度增量和比力增量的一组微分方程，主要用于产生惯性器件增量信息。整个航迹微分方程组以姿态角的变化率ω(t)和载体的轨迹加速度a^t(t)为输入，因而容易根据上述所有简单运动状态生成航行轨迹。具体航迹微分方程组如下：

姿态角微分方程：

速度微分方程：

位置微分方程：

角增量

其中

(2.10)

比力增量

其中

(2.12)

综上所述，设

x(t)＝[θγψvⁿlλh△θ△v]^t

(2.13)

则易知轨迹方程组是关于向量x(t)的一组非线性时变微分方程组，即

(2.14)

其中ω(t)，a^t(t)是变系数，根据不同时刻不同的运动状态在改变，因此在不同时刻查表可获得不同的值。

微分方程采用四阶龙格-库塔数值求解，解法流程如图1所示，具体过程见公式2.15～2.21：

设有微分方程

式中t是时间变量，h(t)是随时间变化的量，即变系数，给定h(t)在一系列的时间离散点的值h(t0),h(t1),…,h(tn)以及x(t)的初始条件

x(t0)＝x0，

求解在下述一系列时间离散点的值：

x(t1)＝x1,x(t2)＝x2,…,x(tn)＝xn。

设进行积分的步长为τ，并且x(ti)＝xi的值已知，由x(ti)＝xi推算x(ti+1)＝xi+1的步骤如下：

(1)根据ti点的值xi计算(ti,xi)处的斜率

k1＝f[xi,h(ti),ti](2.16)

(2)根据k1对点的值进行一次预报

然后求点处的斜率

(3)利用k2再次对点的值进行预报

再次求点处的斜率

(4)利用k3对点ti+1的值进行预报

最后求点ti+1处的斜率

取上述斜率的加权平均

最后求得ti+1点的即时值

xi+1＝xi+τk(2.21)

第二步设计gps卫星仿真器，通过卫星在轨位置和速度计算、gps卫星可见可用判别、gps最优导航星选择、gps数据仿真等步骤，模拟输出gps伪距、伪距率、位置、速度等信息

gps卫星仿真器模拟了gps接收机的功能，根据卫星星历解算出各卫星位置和速度，结合载体运动信息筛选出可用卫星，并从轨迹发生器得到载体位置和速度。gps卫星仿真器结合载体位置速度信息，得到载体和卫星之间的真实距离和速度，加入误差信息可得到仿真的gps伪距和伪距率。如图2所示，按照一定频率输出最优导航星的位置和速度以及gps的位置、速度、伪距和伪距率信息。

具体的，下面分为三个部分分别对gps卫星在轨位置和速度的计算，以及，gps卫星可见性和卫星信号可用性的判别和gps最佳导航星的选星规则。

1)卫星在轨位置和速度的计算

gps卫星的无摄运动可通过六个开普勒参数来描述。当这六个参数一经确定，卫星在此瞬时相对于地球的空间位置及其速度就可惟一确定。gps系统根据gps卫星的预报星历采用递推的方式来实现卫星位置的实时确定。

预报星历一共有16个参数，其中包括1个参考历元，6个相应于参考历元的开普勒椭圆轨道参数和9个反映摄动力影响的改正项参数。根据gps卫星导航电文中的预报星历，可以计算出协议地球坐标系中的gps卫星坐标。

2)gps卫星可见性和卫星信号可用性的判别

(1)gps卫星的可见性判别：

判断gps卫星是否被地球阴影遮蔽。判断接收机是否在gps卫星天线波束角覆盖范围内。

(2)gps卫星信号的可用性判别

根据接收到的信号强度和需要的信号强度下限值，可以对可见导航星信号的可用性进行判别。

3)gps卫星最佳导航星的选星规则

经过gps卫星可见性和卫星信号可用性的判别，利用卫星分布的几何图形在所有可见卫星中选出四颗最佳gps导航星。

一般用精度因子dop(dilutionofprecision)来表征卫星分布的几何图形。常用的指标为几何精度因子gdop：

式中：σp为测量误差的均方根值；

σx,σy,σz是估计的用户位置坐标x，y，z的均方根误差；

σt是以距离表示的用户时钟均方根测量误差。

最小的gdop值意味着计算用户位置最好的卫星几何图形，为了使gdop最小，所选的四颗卫星构成的几何图形的体积要最大。

得到了四颗最优导航星，再结合轨迹发生器提供的载体运动状态的标准值，就可以得到gps的伪距和伪距率。这样gps卫星仿真器就可以按照一定频率输出最优导航星的位置和速度以及gps的位置、速度、伪距和伪距率信息。

第三步设计具有内嵌算法库的仿真验证模块，并将算法库导航结果作为参考；以所述惯性器件参数和gps数据信息作为预先编写的导航算法的输入，将算法解算的航迹结果和所述标准飞行轨迹数据进行比对和误差分析，获得验证结果

内嵌算法库包括三个方面：1、sins算法。带误差的原始数据作为模拟输入进行sins解算，得到sins的位置、速度和姿态信息；2、由于sins系统误差发散的特性，这些信息含有较大误差，采用组合导航算法进行修正。通常采用kalman滤波技术对组合导航系统的状态进行估计。一种是采用sins和gps速度和位置组合的松耦合kalman滤波算法。3、一种是采用sins和gps伪距和伪距率组合的紧耦合kalman滤波算法。滤得的sins误差反馈给sins惯性导航系统进行修正，得到经过修正的导航结果。

1、sins系统的原理

如图3所示，sins系统的输入是当前时刻陀螺和加速度计的角速率和比力信息，以及高度表提供的高度数据，经过导航解算，输出为当前时刻载体的俯仰角，横滚角，航向角，东向速度，北向速度，天向速度，纬度，经度和高度。

对于指北方位sins系统，速度和位置的求解仍然采用四阶龙格库塔法；姿态求解可采用毕卡求解法。

2、如图5所示，松耦合系统的原理示意图，sins和gps接收机各自独立工作，分别输出位置与速度信息。当gps可定位时，卫星的位置、速度和伪距、伪距率等信息经过gps接收机内部的kalman滤波器得到定位数据，该数据与sins进行组合滤波，并用滤波结果修正系统，从而达到抑制惯性导航误差累积的目的；在gps不可定位期间，sins单独工作，输出惯性导航解。松耦合系统的优点是结构简单，无论在硬件设计还是在软件编程上都较便于工程实现，计算量相对较小，可满足系统对实时性的要求。

3、如图6所示，紧耦合系统的原理示意图，系统在松耦合系统的基础上，去除了gps内部的kalman滤波器。在每个组合时刻，gps接收机选择最少两颗最优导航星，sins惯性导航系统根据自己解算的位置和速度与卫星星历解算的卫星位置和速度求出相对每颗最优导航星的伪距和伪距率，与gps接收机测得的伪距和伪距率进行作差，利用kalman滤波得到导航误差，再反馈给sins惯性导航系统进行修正，得到经过修正的导航结果。

紧耦合方式是一种相对复杂的组合方式，当卫星星座不同或参与导航的卫星数目不确定时，观测方程的维数可以随之自动切换改变。当gps不能定位时，紧耦合系统仍然能够利用有限的卫星进行组合；其次，卫星接收机提供给融合算法的是伪距、星历等接收机用于定位解算的原始信息，各量测量间不存在相关性，因此保证了误差的估计精度和组合导航的精度。

此外，紧耦合系统的优势还体现在，在多系统gps接收机上如北斗、gps双系统接收机，可以实现跨系统跨星座选星。这样基本可以保证组合的连续性，从而大大提高了gps不能定位时系统的可用性。

第四步设计算法评估显示单元，根据每个导航输出周期的姿态、速度、位置信息，选择不同的图形进行展示，并实施展现整个导航过程的姿态、速度、位置信息

导航文件中存储了每个导航输出周期的姿态、速度、位置信息。查看仿真效果可在图形控制区选择，姿态角误差曲线，速度误差曲线，位置误差曲线可查看导航误差，轨迹比较曲线可查看导航轨迹和真实轨迹的差距，姿态角、速度、位置曲线可查看整个导航过程的姿态角、速度、位置变化过程。

综上所述，本方案是内置sins/gps紧耦合组合导航算法和sins/gps松耦合组合导航算法，以sins算法库、可规划轨迹发生器和gps卫星仿真器为核心的系统仿真平台；该平台为研究导航算法提供了惯性器件信息源、gps伪距伪距率速度位置信息源，能够为导航算法的研究者提供一个验证平台，为分析与优化导航算法提供便捷方式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。