多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合方法研究

羋小龍，向 敏

(海軍裝備部，北京 100076)

0 引 言

對于船舶導(dǎo)航領(lǐng)域，多傳感器組合導(dǎo)航已成為最主要的導(dǎo)航方法，通過多傳感間的信息融合，能夠有效利用和處理來自多傳感器的數(shù)據(jù)，克服單一導(dǎo)航模式的不足，達到提高導(dǎo)航精度、增強船舶導(dǎo)航系統(tǒng)自主性和可靠性的目的[1-4]。

由于不同船舶配備的導(dǎo)航傳感器形式和數(shù)量各有不同，形成了不同的導(dǎo)航方案，其中最為常用的是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial navigation system，INS）和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global positioning system，GPS）組合的方案[5-6]。任民魁等將提出了基于Rodrigues 參數(shù)的INS/GPS 組合導(dǎo)航魯棒濾波方法，通過增加抗差因子提高了組合系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但算法未經(jīng)過試驗檢驗，精度有待驗證；Q i n 通過改善G P S 環(huán)路，提高了INS/GPS 的精度水平，但其對GPS 的器件精度要求較高，較難實現(xiàn)應(yīng)用。另外采用船上計程儀輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的方案也廣泛應(yīng)用于水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)[7-8]，趙俊波等對計程儀/INS 組合導(dǎo)航方法進行了總結(jié)，Liu 等針對計程儀信息有限條件下的組合導(dǎo)航進行研究，提出了一種緊組合導(dǎo)航方法，但該方法計算量較大，難以保證算法的實時性。上述方案中主要以INS 作為導(dǎo)航核心，輔以其他設(shè)備改善INS 長航時下精度發(fā)散的問題，實現(xiàn)較高精度的導(dǎo)航。而對于水下導(dǎo)航來說，由于計程儀的精度水平有待提高，造成了長周期條件下導(dǎo)航精度無法滿足使用要求的問題，所以如何結(jié)合船上現(xiàn)有裝備實現(xiàn)長周期條件下的高精度導(dǎo)航是目前船舶導(dǎo)航領(lǐng)域面臨的一個巨大問題[9-12]。通常來說，為保證船舶導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性，船上一般會配備2 套慣導(dǎo)系統(tǒng)，所以開展多慣導(dǎo)系統(tǒng)信息融合研究是實現(xiàn)水下船舶導(dǎo)航的一種新思路，對提高長航時下的導(dǎo)航精度水平有重要意義。

1 多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合方法

1.1 多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合方案

對于靜電慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光慣導(dǎo)系統(tǒng)等高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，為提高其導(dǎo)航精度，一般會將慣性器件誤差進行估計和補償，以消減誤差發(fā)散趨勢，但慣導(dǎo)固有的隨時間發(fā)散的特性仍然存在，使得慣導(dǎo)系統(tǒng)的振蕩誤差逐漸凸顯出來[13-14]，因此，對于本方案來說，重點在于消除地球振蕩誤差，從而提升船舶導(dǎo)航系統(tǒng)長航時下的導(dǎo)航定位精度。

通過對長航時慣導(dǎo)誤差模型進行分析，經(jīng)度、緯度、航向的地球振蕩誤差幅值主要受航向初始角誤差和陀螺漂移影響，起始振蕩方向受航向初始角方向、北向和天向陀螺漂移的正負影響?；诖耍O(shè)計多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合方案如圖1 所示。結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)基本原理，2 套慣導(dǎo)系統(tǒng)（以下簡稱慣導(dǎo)1、慣導(dǎo)2）相隔0.25 個地球周期（即6 h）分別啟動，并以慣導(dǎo)系統(tǒng)位置、速度、姿態(tài)和陀螺加表誤差作為觀測量，以兩慣導(dǎo)系統(tǒng)互為導(dǎo)航基準(zhǔn)，利用對方輸出的經(jīng)緯度信息作為量測信息進行卡爾曼濾波，在估出陀螺加表誤差后對兩慣導(dǎo)系統(tǒng)進行補償，之后輸出組合導(dǎo)航下的導(dǎo)航信息。

1.2 多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合模型

圖1 多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合方案Fig. 1 Multi-inertial navigation system integration scheme

根據(jù)系統(tǒng)方案，建立多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（分別以下標(biāo)1，2 表示）量測方程，如下式：

其中：

以兩慣導(dǎo)的經(jīng)緯度誤差作為觀測量得到觀測方程如下式：

通過式（1）和式（2）構(gòu)建多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)融合Kalman 濾波方程，實現(xiàn)多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合。

2 試驗驗證

為驗證所提融合方法的有效性，分別采用仿真試驗和半實物仿真試驗進行驗證。

2.1 模擬仿真試驗

仿真條件及參數(shù)設(shè)置為：慣導(dǎo)1、慣導(dǎo)2 加表零位5×10-5g， 陀螺漂移 0.02°/h，采樣頻率10 Hz，仿真時間24 h。單慣導(dǎo)仿真誤差曲線如圖2 所示，基于融合算法的仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖2 單慣導(dǎo)仿真誤差曲線Fig. 2 Simulation error curve of single inertial navigation

圖3 兩套慣導(dǎo)融合后誤差曲線Fig. 3 Simulation error curves after inertial navigation fusion

為便于比較，統(tǒng)計了慣導(dǎo)1、慣導(dǎo)2 在24 h 的定位精度為1.7 n mail，速度誤差波動小于0.2 kn，從圖2 可知，當(dāng)采用多慣導(dǎo)系統(tǒng)信息融合方案時，24 h 定位精度為1.5 n mail，速度誤差波動小于0.15 kn，可以從理論上驗證所提方法的有效性。

2.2 半實物仿真試驗

以2 套某型激光慣導(dǎo)系統(tǒng)靜基座條件下工作5 d 的試驗數(shù)據(jù)進行分析，2 臺慣導(dǎo)系統(tǒng)和采用本文所提方案對兩慣導(dǎo)系統(tǒng)信息進行融合的經(jīng)度、緯度及位置誤差曲線如圖4 所示。

圖4 誤差曲線Fig. 4 Simulation error curves

由于2 套慣導(dǎo)系統(tǒng)精度相當(dāng)，啟動時間相差了6 h，導(dǎo)致地球振蕩曲線相位相差1/4，在進行融合后，精度水平得以提升。可以看出，采用所提方法，導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度可提升30%，可以很好解決導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度低的問題。

3 結(jié) 語

為解決水下艦船導(dǎo)航信息來源少、精度低的問題，本文結(jié)合慣導(dǎo)系統(tǒng)自身原理，提出一種多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合方法，模擬仿真結(jié)果和半實物仿真試驗表明相較于傳統(tǒng)的單慣導(dǎo)導(dǎo)航條件，所提方法可以使導(dǎo)航精度提升30%，提高了水下艦船綜合導(dǎo)航能力，保障了其長航時條件下的導(dǎo)航精度水平。