[发明专利]一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统组合导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及组合导航技术领域，尤其涉及一种一体化无陀螺捷联惯导系统(gyro free strapdown inertial navigation system,GFSINS)与GPS系统的组合导航方法。

背景技术

随着飞机、导弹、潜艇及机器人技术的现代化发展，军事和民用领域对导航新技术的需求越来越迫切，对导航精度的要求越来越高，对导航系统其他各项性能，如自主性、稳定性、抗干扰能力等的要求也越来越全面。以现有导航技术来看，单一类型的导航系统几乎不可能同时满足以上要求，因而近年来组合导航技术得到了飞速的发展。组合导航是指两种或两种以上导航技术的结合，组合后的系统称为组合导航系统。目前应用于组合导航系统的导航类型主要有惯性导航、卫星导航、天文导航等。根据不同的导航需求，会将上述的单类型导航按各自的优缺点进行不同方式的组合。

惯性导航系统(inertial navigation system,INS)利用自身的惯性敏感元件测量航行体相对惯性空间的运动参数，在给定的运动初始条件下，由计算机解算出航行体的位置、姿态、速度等参数，从而引导航行体完成预定的航行任务。惯性导航最主要的惯性敏感元件是加速度计和陀螺仪，利用这两种惯性元件与其它控制元件组成测量系统完成导航参数的测量。它不依赖于任何外界信息，不受天然或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。无陀螺捷联惯导系统由于摒弃了结构复杂，维护困难的陀螺，依靠加速度计的空间位置组合即可代替陀螺测量载体的角运动参数，因而在承载惯性导航固有优势的基础上，更具有结构简单、成本低廉、使用方便，可靠性高等特征，继而成为惯性导航研究的新热点。随着科学技术的进步和工艺水平的提高，捷联惯导系统的各项性能已有了大幅提升，但其固有的结构特点使其在实际的工程应用过程中也遇到一些新问题。例如，由于惯性敏感器直接与运载体固连，运载体的角运动将直接传递给惯性敏感器而引起动态误差；需进行大量的坐标变换计算及动态误差补偿计算；对信号处理系统的容量、速度和精度的要求较高等；但其最重要的缺点是误差随时间累积，这是惯导的通病，也是惯导系统目前只能应用于短程导航的关键原因，因此需要外部辅助定位的方法对其进行修正。

现行的外部辅助导航技术中，卫星导航系统，尤其是全球定位系统成为最理想的辅助定位方法。全球定位系统(inerglobal position system,GPS)是美国国防部研制的第二代卫星导航系统，它以空间卫星为基础，能为海、陆、空各种载体提供全天候、高精度的三维位置、速度信息，并且还可以在载体上安装多个天线来测量载体的姿态信息。与惯性导航相比，它的优点是技术趋于成熟，精度高且成本低，缺点是自主性差和抗干扰能力弱。这与惯导系统在性能上正好形成优势互补，因而近年来，基于惯性导航和GPS组成的组合导航系统成为了国内外组合导航研究的主流。

组合后的导航系统不仅可以同时发挥两个导航子系统的优势，在定位精度、性能、和可靠性等方面都要优于单独的导航子系统。由于惯导系统能够提供比较多的导航参数和全姿态信息参数，且不受外界干扰、隐蔽性和连续性好，因此一般在以惯性导航和GPS结合的组合导航系统中，惯导系统多作为主要子系统，高精度的GPS导航信息则作为外部输入，在运动过程中不断修正惯导系统。在组合导航系统的信息融合算法上，目前使用最为广泛的是卡尔曼滤波算法。两个子系统将各自的导航参数信息输入到滤波器中，系统选取合适的状态变量，建立组合系统的状态空间模型，推导滤波迭代方程，通过前一时刻的估计值和新时刻的观测值来对状态变量进行估计，从而得到最优解，来校正单个子系统的参数误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有基于惯导系统与GPS系统的组合导航系统存在计算复杂、解算效率低的不足，提出一种基于一体化无陀螺捷联惯导系统和GPS系统的组合导航方法，其结构简单、计算效率高、系统稳定性好。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一体化无陀螺捷联惯导系统与GPS系统组合导航方法，包含以下步骤：

步骤1)，将六维加速度传感器引入捷联惯导系统中充当惯性敏感元件，根据六维加速度传感器输出的六维加速度进行相应的捷联解算，获得载体的导航位置、速度和姿态参数；

步骤2)，采用GPS系统对载体的运动进行跟踪，获取载体的位置、速度和姿态导航信息；

步骤3)，将步骤1)和步骤2)分别获取的导航参数值对应相减后得到的差值输入组合导航滤波器；