基于sins/双od的惯性组合导航系统及其导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及惯性导航领域，特别是设及一种基于SINS/双0D的惯性组合导航系统 及其导航方法。
【背景技术】
[000引惯性导航系统通过安装在飞行器或者车体上的惯性测量元件（IMU)输出的旋转 角速度和线加速度推算航位姿态、坐标W及速度等信息。IMU主要为巧螺仪和加速度计；巧 螺仪测量载体旋转的角速度，用于计算载体的姿态变化，提供了载体和导航坐标系的变换 关系；加速度计测量载体在惯导坐标系下运动的线加速度，并用于积分计算载体的速度和 位置信息，再通过载体姿态信息变换到导航坐标系中。捷联惯导系统（SIN巧W其提供导航 信息的全面性和完全的自主性，成为了一种广泛应用的惯性导航系统，本文所设及的车辆 导航系统也在其基础上建立。然而SINS存在随时间累积的导航误差严重影响了系统的导 航精度，因而控制SINS的误差累积成为捷联惯导系统运行的一个关键问题。
[0003] 利用SINS/GI^S组合导航系统虽然能够很好地解决误差累积问题，但在该系统中，GI^S存在着动态响应能力差、易受电子干扰、信号易被遮挡等缺点，使得SINS/GI^S组合导航 系统在GI^S信号出现故障时不能正常工作。而GI^S信号如果在长时间内不能得倒恢复，系 统的误差就不可避免地随时间而积累。为了解决上述问题，W提高车辆导航的自主性、稳定 性和可靠性为目的，将里程计（0D)和SINS组合起来，将各自收集到的信息融合并获得较高 精度的导航数据，构成WSINS为主、里程计为辅的车辆组合导航系统。里程计是测量车辆 行驶速度和路程的，它不能单独用于车辆定位，但可从捷联惯导中获得姿态和航向信息，进 行定位解算且累积误差较小。
[0004] 目前，将SINS和0D进行组合的导航系统多采用单里程计，利用其速度信息修正惯 导的导航误差，较为有效地提高了导航精度。但是系统采用速度组合方式，将里程计的速度 测量值分解到导航坐标系后，与捷联惯导系统的速度解算值进行比较，即0D只提供速度量 测信息而忽略了方向角的误差，该种做法导致SINS/0D组合导航位置误差会随车辆行驶路 程不断地缓慢累积，定位精度有缓慢发散的趋势，因而本文提出利用双路里程计来获得更 为精确的速度信息和车的方向角度，从而更加有效地抑制惯导误差的积累，即利用双路里 程计和惯导的融合，运用卡尔曼滤波技术，实现更高精度的导航。
【发明内容】
[0005] 鉴于W上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于SINS/双0D的惯 性组合导航系统及其导航方法，用于解决现有技术中的由于使用单个里程计与SINS进行 组合形成组合导航系统而导致的SINS/0D组合导航位置误差会随车辆行驶路程不断地缓 慢累积，定位精度有缓慢发散的趋势的问题。
[0006] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于SINS/双0D的惯性组合导 航系统的导航方法，所述方法包括：
[0007]建立SINS误差模型，所述SINS误差模型包括SINS的姿态误差方程、速度误差方 程及位置误差方程；
[000引建立双OD误差模型，所述双OD误差模型包括双OD的速度误差方程及方向角误差 方程；
[0009] 对SINS误差模型及双OD误差模型的各误差状态量进行估计并修正。
[0010] 作为本发明的基于SINS/双OD的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 本方法的坐标系定义如下：
[00川 n系；导航坐标系，即为东-北-天地理坐标系；
[0012] b系；惯导坐标系，与轨迹发生器坐标系重合；
[0013] m系；里程计坐标系，与轨迹发生器坐标系平行；
[0014] 其中，b系及m系的方向均为；x轴沿轨迹发生器横轴指向右侧，y轴沿轨迹发生器 纵轴指向正前方，Z轴垂直于X轴和y轴并构成右手直角坐标系。
[0015] 作为本发明的基于SINS/双OD的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 所述SINS的姿态误差方程为：
[0016]
[0017]所述SINS的速度误差方程为：
[001 引
[0019] 所述SINS的位置误差方程为：
[0020]
[0021] 式中，口 = AvAj了为捷联惯导计算的东、北和天向的姿态误差角； = 为速度误差；SL、5A、5h为位置误差，分别为绅度、经度和高度误 差；似1为地球自转角速率在导航坐标系上的投影，份L为导航系相对地球坐标系的角速 率在导航系中的投影；产为导航系中的比力；eb二[e,ej为轨迹发生器系中的巧螺 漂移，V& = VyVJ为轨迹发生器体系中的加速度计零偏；C；：为姿态矩阵，而和R1^分 别为地球子午圈和卯酉圈半径。
[0022] 作为本发明的基于SINS/双OD的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 建立双OD误差模型的具体方法为：
[0023] 使用双OD测得轨迹发生器在t时刻的位姿信息；
[0024] 根据所述位姿信息得到轨迹发生器的速度及方向角；
[0025] 根据所述轨迹发生器的速度及方向角，得到所述双0D的速度误差方程及方向角 误差方程。
[0026] 作为本发明的基于SINS/双0D的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 所述双0D的速度误差方程为：
[0027]
[002引所述双0D的方向角误差方程为：
[0029]
[0030] 式中，vld为里程计应得到的轨迹发生器的真实速度在n系中的投影，vlw为里程 计量测得到的轨迹发生器的速度在n系中的投影，口为姿态角误差，5k为里程计刻度系数 误差，6C为里程计的方向角在n系中的投影，5 0为里程计方向角系数误差。
[0031] 作为本发明的基于SINS/双0D的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 对SINS误差模型及双0D误差模型的各误差状态量进行估计并修正的具体方法为：
[0032] WSINS的姿态误差、速度误差、位置误差、巧螺常值漂移及加速度计常值零偏作 为SINS的状态变量，W刻度系数误差及方向角系统误差作为双0D的状态变量建立状态方 程；WSINS解算的数据与双0D测得的数据的差值作为量测量建立量测方程；所述状态方 程及量测方程构成基于SINS/双0D的惯性组合导航系统卡尔曼滤波模型；
[0033] 根据所述状态方程及量测方程对各误差状态量进行滤波估计并修正。
[0034] 作为本发明的基于SINS/双0D的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 所述状态方程为：
[0035] X(g二F(t)X(t) +G(,')r(0
[0036] 式中，X(t)为t时刻系统的状态向量，F(t)为系统矩阵，G(t)为系统噪声转移矩 阵，W(t)为系统噪声；
[0037] t时刻系统的状态向量为；
[00%]
[0039] 式中，户E、户、、巧/为姿态误差，《Ve、SVw、《V。为东、北、天向速度误差， 5L、5A、5h为绅度、经度及高度方向的位置误差，￡,、￡y、e,为S个巧螺常值漂移，Vy、Vz为S个水平加速度计常值零偏，Sk为里程计刻度系数误差，6 0为里程计 方向角系数误差。
[0040] 作为本发明的基于SINS/双0D的惯性组合导航系统的导航方法的一种优选方案， 所述量测方程为：
[00创式中，Vi(t)、v2(t)为量测噪声矢量；Hi(t)、H2(t)为t时刻的量测矩阵，Hi(t)、H2(t)为；
[0046] 式中，vLw、VL。分别为加入惯导信息后里程计测得