gps辅助激光陀螺捷联惯导系统动基座对准实验研究

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1、GPS辅助激光陀螺捷联惯导系统动基座对准实验研究GPS辅助激光陀螺捷联惯导系统动基座对准实验研究吴非,王宇(国防科学技术大学光电科学与工程学院.湖南长沙410073)摘要:对GPS辅助下的激光陀螺捷联惯导系统的动基座初始对准进行了实验研究.首先给出了车载SINS/GPS组合导航系统误差模型,然后利用Kalman滤波器对SINS和GPS的车载动基座实际测量数据进行了离线的半实物仿真.仿真结果表明,动基座对准能够在1O分钟以内快速实现,但是达到的对准精度与静基座对准相比稍差.关键词:激光陀螺;捷联式惯性导航;GPS;卡尔曼滤波;动

2、基座;初始对准中图分类号:U666文献标识码:A文章编号:1008—9268(2007)02—0028—051引言初始对准是激光陀螺捷联惯导系统的关键技术之一,其目的是获得载体系与导航系间的姿态矩阵.按照基座在对准时的状态,初始对准可以分为静基座和运动基座两种情况.静基座对准可以由捷联惯导系统自主完成.在运动基座上,捷联惯导系统通常需要获得系统以外的参考信息作为观测量,通过Kalman滤波实现最终的精确对准.虽然与静基座相比,动基座对准实现难度较大,但是它可以显着提高激光陀螺捷联惯导平台的适用性,因此长期以来一直是初始对准研究

3、中的热点.与其它机电陀螺系统相比,激光陀螺捷联惯导系统的应用在国内开展较晚.因此,在公开的资料中,对激光陀螺捷联惯导系统动基座对准问题的研究以数值仿真为主,与实验相关的资料较少.本文则对GPS辅助的车载激光捷联惯导系统动基座初始对准进行了实验研究.实验中,首先,按照车载动基座对准的要求给出了SINS/GPS组合导航系统的误差模型.然后,在不同的运动路径上采集多组组合导航系统的原始实测数据,对每一组数据分别进行静基座对准和动基座对准的半实物仿真运算.最后,对两种对准方法的仿真结果进行比较,并给出对动基座对准结果的评价.实验采用离

4、线运算的目的是为了方便对两种对准方法的结果进28收稿日期:2006—12—28行比较.只要将离线运算改为在线运算,就可以实现动基座初始对准的实时解算.2系统组成和模型2.1硬件组成实验系统在硬件上由激光陀螺捷联惯导系统(SINS),GPS接收机和一台便携式计算机构成.SINS包括IMU和导航计算机两部分,可以独立地完成静基座初始对准和导航解算.SINS中的导航计算机通过高速串行总线与便携式计算机连接,可以传输IMU中陀螺和加速度计的原始测量数据,数据更新频率为lOOHz.GPS接收机采用了GPS—OEM板,数据更新频率1Hz,

5、通过串行总线与导航计算机连接.GPS的定位和速度信息在导航计算机中提取后,与SINS的原始测量数据一起以100Hz的更新频率被送入便携式计算机.最后根据接收到的数据,完成导航和滤波运算.整个实验系统的硬件组成如图l所示.2.2组合方式实验系统中,SINS与GPS的数据组合采用分布式组合方案口].这种组合又称为GPS辅助SINS式组合或可分式组合.具体的讲,就是把SINS作为主系统,用来提供基本的导航定位输出;用GPS作为辅助系统,以其导航结果对SINS输出进行修正.导航误差的估算和修正通过组合Kalman滤波器实现:使用SIN

6、S的导航参数误差GNSSWorldofChina/2007.2SINS………一图1实验系统硬件组成量作为滤波器的状态变量,使用SINS与GPS的速度差作为Kalman滤波观测量,对估算出的SINS姿态误差,速度误差采用反馈法进行校正,对SINS的定位信息利用GPS定位结果进行直接修正.分布式组合方案的主要优点在于实现简单,可靠性高.采用这种方案,只需要将SINS的误差量列入组合系统的状态变量,滤波器容易设计实现;同时,SINS与GPS的数据处理相对保持独立,即使其中某一系统失灵,组合系统仍然能够继续给出定位结果,这也就保证了比

7、较高的可靠性.2.3动基座对准滤波模型选择东北天坐标系作为导航坐标系.选取捷联惯导系统的失准角,速度误差,陀螺仪和加速度计的漂移误差列入组合系统状态变量.考虑到陆用车载的情况,忽略垂直通道的速度误差和加速度计漂移误差,得到十维状态变量:x:[ENuaVE8VN￡￡￡](1)系统的状态方程为:X-=A(t)X-k(￡)(2)IA1()A2()03×2J'式中,A(￡)一lA.(￡)A.(￡)0..J,其中:lO5×.Ir0cDsinL+VFtgL/RF——cDcosL--VF/RF_1A1(￡)一f一sinL～tgL/RF0一V

8、N/RNfLcosL+VE/R￡VⅣ/RⅣ0_lA.c=『_一/RⅣ],c:=匿堇蔓],A.c=[0U一00C2CC2rLtgL/R0CC^],A2(￡)=l1/RFI,c:=I22.I,A.(￡)=I:l,IIILrr—rrJFj313233j"一I--203~g2g]眨C