基于固定里程量測的車載捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航算法*

武 萌,湯霞清,黃湘遠(yuǎn)

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京 100072)

基于固定里程量測的車載捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航算法*

武 萌,湯霞清,黃湘遠(yuǎn)

(裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京 100072)

針對車載里程計小量微分引起噪聲放大和脈沖計數(shù)截斷誤差造成里程增量誤差,進(jìn)而影響系統(tǒng)精度的問題,提出了基于固定里程量測的組合導(dǎo)航方法。該算法采用位置量測方案,將固定里程范圍內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)解算的位置信息和里程計航位推算之差作為量測值進(jìn)行組合導(dǎo)航,并提出了里程計脈沖計數(shù)截斷誤差修正方法。仿真表明,該方法可以快速分離組合導(dǎo)航系統(tǒng)各傳感器誤差,具有較高的定位定向精度和推廣應(yīng)用價值。

捷聯(lián)慣導(dǎo);里程計;組合導(dǎo)航;航位推算;截斷誤差

0 引言

里程計是自主式測量傳感器,適合應(yīng)用在GPS受限且自主性要求高的組合導(dǎo)航領(lǐng)域,國外許多軍用車載導(dǎo)航系統(tǒng)采用里程計組合導(dǎo)航,能達(dá)到較高的定位定向精度[1-3]。目前車載捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航通常采用速度和位置量測兩種方案[4-9]。文獻(xiàn)[7]采用位置量測方案,狀態(tài)空間維數(shù)為18,通過累計1 s時間內(nèi)慣導(dǎo)位置增量和航位推算位置增量之差作為量測值,克服了傳統(tǒng)位置量測方案21維狀態(tài)空間,且姿態(tài)誤差角收斂慢的缺點(diǎn)。但在實(shí)際過程中,由于載體速度不同,1 s累積的位置增量是不同的,因而每個時間段內(nèi)的噪聲分布也是不同的。在車輛低速行駛條件下,1 s內(nèi)里程計輸出脈沖較少,如里程計精度不高,計數(shù)器截斷誤差將造成里程增量誤差[10]。

文中采用位置量測方案,在不額外增加狀態(tài)維數(shù)的前提下,針對固定時間內(nèi)車速不同噪聲分布不均,里程計計數(shù)截斷誤差可能造成里程增量誤差,進(jìn)而影響系統(tǒng)精度的問題,提出了將固定里程范圍內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)位置增量和里程計航位推算位置增量之差作為量測值,并對固定里程范圍內(nèi)里程計截斷誤差進(jìn)行了修正。系統(tǒng)仿真驗證了該方案的有效性。

1 里程計數(shù)學(xué)模型及誤差分析

選取慣性坐標(biāo)系i為地心坐標(biāo)系,地球自轉(zhuǎn)角速率為ωie。導(dǎo)航坐標(biāo)系n為東北天坐標(biāo)系。載體坐標(biāo)系b原點(diǎn)在載體質(zhì)心,xb軸沿載體橫軸向右,yb軸沿載體縱軸向前,zb軸沿載體縱軸向上;里程計坐標(biāo)系m原點(diǎn)位于車輪與地面的交點(diǎn),xm軸沿車體橫軸指向右側(cè),ym軸沿車體縱軸指向正前方zm軸垂直于xm軸和ym軸并構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

里程計采用脈沖方式輸出采樣時間間隔內(nèi)的里程增量,假設(shè)里程計刻度因子為KD,在采樣時間間隔t內(nèi)輸出的脈沖數(shù)為Nt,則里程計輸出里程增量在b系的投影矢量為:

(1)

(2)

2 車載捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航模型

2.1 狀態(tài)方程

組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)誤差X選取為18維向量,表示為:

(3)

式中:δVn為速度誤差;φn為姿態(tài)誤差;δPn為位置誤差;εb為陀螺漂移;b為加速度計零偏。組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用卡爾曼濾波,狀態(tài)方程為:

(4)

式中：W為噪聲矩陣;M1～M8為:

2.2 量測方程

(5)

為避免固定時間內(nèi)載體速度不同引起的噪聲不同和載體低速條件下計數(shù)器截斷誤差引起里程增量誤差等問題,文中利用帶有置位信號的光電編碼里程計作為輔助導(dǎo)航設(shè)備,當(dāng)車輛車輪行駛一周,里程計輸出高電平的置位脈沖信號,表示一段固定里程,并將該固定里程下的慣導(dǎo)解算值和航位推算值之差作為位置量測值。假設(shè)載體行駛一周時間內(nèi)捷聯(lián)慣導(dǎo)解算周期個數(shù)為Nz=1,則量測值可表示為:

(7)

(8)

2.3 里程計截斷誤差修正

設(shè)里程計分辨率為ND,在第j個解算周期內(nèi)里程計輸出為Nj,載體行駛一周則有:

(9)

(10)

3 仿真驗證

圖1 姿態(tài)誤差角估計值

圖2 加速度計零偏估計值

圖3 陀螺計零偏估計值

圖4 定位誤差估計值

圖5 安裝誤差和里程計刻度誤差估計值

4 結(jié)束語

文中采用位置量測的車載捷聯(lián)慣導(dǎo)/里程計組合導(dǎo)航方案,通過將固定里程內(nèi)慣導(dǎo)解算位置和里程計航位推算位置之差作為量測值構(gòu)建組合導(dǎo)航系統(tǒng),有效避免了量測噪聲的放大,同時能夠快速分離組合導(dǎo)航系統(tǒng)各傳感器誤差,能夠達(dá)到較理想的定位和定向精度,系統(tǒng)仿真驗證了該算法的有效性。文中還對里程計脈沖計算截斷誤差提出修正算法,克服了里程計計算器截斷誤差造成的航位推算位置增量誤差,降低了對里程計精度要求,減小了系統(tǒng)成本。

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Vehicle SINS and Odometer Integrated Navigation Algorithm Based on Fixed Distance Measurement

WU Meng,TANG Xiaqing,HUANG Xiangyuan

(Department of Control Engineering, The Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Since small differential error of odometer causes noise amplification and pulse calculation error causes small differential of mileage meter, both influence on system accuracy In this paper an integrated navigation method based on fixed distance measurement was proposed, which takes the difference between positions of SINS calculation and dead reckoning of odometer in the fixed mileage range as the measurement value of integrated navigation, and the correction method of odometer was put forward for pulse counting truncation error. The results of the system simulation show that this method can quickly separate sensor error of integrated navigation system, and has higher positioning accuracy This method can be applied in system of vehicle SINS widely.

SINS; odometer; integrated navigation; dead reckoning; truncation error

2015-11-17

武萌(1981-),女,山東泰安人,講師,博士研究生,研究方向:慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)。

V249.3

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