[发明专利]一种捷联惯导系统/全球导航卫星系统组合导航滤波系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及组合导航信息融合技术，特别是涉及一种捷联惯导系统/全球导航卫星系统组合导航滤波系统及方法。

背景技术

捷联惯导系统（SINS）能够完全自主并实时地提供载体的姿态、速度和位置信息，广泛应用于航空、航天和航海等军用及民用领域。但其突出的缺点是导航误差会随时间积累，不能独立完成长时间的导航任务。全球导航卫星系统（GNSS）具备长时间高精度导航的能力，但其缺点是卫星信号容易受干扰，无法提供连续的导航信息。

SINS/GNSS组合导航系统将GNSS与SINS结合起来进行导航，充分利用了各自的优点，并弥补了各自的缺点，可以得到一个既能全天候自主导航又能保证长时间导航精度的系统。Kalman滤波技术是目前实现SINS/GNSS组合导航信息融合的有效方法，通过滤波技术实现对姿态、速度和位置误差以及惯性器件误差的最优估计，进而实现误差的反馈校正。这样，在GNSS信号良好时能够输出高精度的导航信息，同时维持SINS系统的稳定；在GNSS失锁时，进入纯惯导模式，继续提供缓慢发散的导航信息。

然而，基于Kalman滤波的SINS/GNSS组合导航系统在GNSS信号失锁重捕后，由纯惯导模式切换进入组合模式，依靠GNSS信息将纯惯导缓慢发散的导航信息收敛到正确值。该收敛过程的持续时间受纯惯导模式运行时间的影响，纯惯导模式运行时间越长，收敛过程越缓慢，有时甚至伴随着震荡过程，大大降低了组合导航的精度和快速性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于改进卡尔曼滤波算法的模块化实现捷联惯导系统/全球导航卫星系统组合导航滤波系统及方法，将组合导航滤波算法模块化，显著提高组合导航精度，同时大大加快组合导航滤波算法的收敛速度，并有效抑制卡尔曼滤波的发散。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种捷联惯导系统/全球导航卫星系统组合导航滤波系统，它由一次装订模块、地球参数解算模块、初始对准模块、捷联惯导解算模块、改进滤波算法参数计算模块、正常模式组合导航滤波模块、故障模式组合导航滤波模块和反馈校正输出模块组成；

所述一次装订模块用于根据本地的先验温度补偿参数、陀螺仪和加速度计的系统误差预标定结果，将其作为初始对准模块以及捷联惯导解算模块的固有参数进行装订；

所述地球参数解算模块用于根据GNSS全球导航卫星系统及SINS捷联惯导系统解算的位置、速度信息计算地球参数；

所述初始对准模块用于根据一次装订模块和GNSS全球导航卫星系统提供的位置、速度、姿态信息解算得到SINS捷联惯导系统的初始时间、位置、速度和姿态角信息，并作为捷联惯导解算模块的初始值；

所述捷联惯导解算模块用于根据捷联惯导设备提供的角速度和比力信息，并利用一次装订模块和初始对准模块提供的参数进行导航解算；

所述改进滤波算法参数计算模块用于根据SINS捷联惯导系统和GNSS全球导航卫星系统提供的数据信息，对改进卡尔曼滤波算法所需的状态转移矩阵、系统驱动噪声协方差矩阵、量测噪声协方差矩阵进行计算，并根据参数计算结果及状态标志选择性地传递至正常模式组合导航滤波模块或故障模式组合导航滤波模块中进行改进卡尔曼滤波计算；

所述正常模式组合导航滤波模块包括状态预测子模块、协方差预测子模块、增益计算子模块、状态估计子模块和协方差估计子模块组成；

所述故障模式组合导航滤波模块用于根据系统提供的错误状态标志，通过改进卡尔曼滤波计算的状态预测功能，通过后端处理方式排除前端出现的错误；

所述反馈校正输出模块用于根据正常模式组合导航滤波模块或故障模式组合导航滤波模块估计得到的姿态误差、速度误差和位置误差分别对捷联惯导解算模块解算的姿态角、速度以及位置进行一次修正，并将修正后的结果作为组合导航系统的输出。

进一步地，所述的地球参数包括地球自转角速度投影分量、导航坐标系相对地球的旋转角速度和载体所在位置的重力加速度信息。

进一步地，所述的捷联惯导解算模块进行导航解算过程中，采用旋转矢量四元数算法解算载体的姿态角，采用双子样速度算法解算载体的速度，采用速度积分算法解算载体的当前位置。

一种捷联惯导系统/全球导航卫星系统组合导航滤波方法，它包括以下步骤：

S1：一次装订模块根据本地的先验温度补偿参数、陀螺仪和加速度计的系统误差预标定结果，将其作为初始对准模块以及捷联惯导解算模块的固有参数进行装订；