基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的組合導(dǎo)航系統(tǒng)研究

0 引 言
水下導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作環(huán)境位于水下，不利于實(shí)現(xiàn)人為的控制，而且衛(wèi)星信號(hào)在水下和地下往往無(wú)法接收到，且易受干擾，所以人和衛(wèi)星信號(hào)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位定向的要求。慣性導(dǎo)航這種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪式水下采礦車(chē)的定位定向。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)是一種既不依賴外部信息、又不發(fā)射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，隱蔽性好，不怕干擾。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)又十分完整，它除能提供載體的位置和速度外，還能給出航向和姿態(tài)角，而且又具有數(shù)據(jù)更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。然而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)并非十全十美，從初始對(duì)準(zhǔn)開(kāi)始，其導(dǎo)航誤差就隨時(shí)間而增長(zhǎng)，尤其是位置誤差，這是慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。所以需要利用外部信息進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航，使其有效地減小誤差隨時(shí)間積累的問(wèn)題。里程計(jì)(Odometer，OD)是測(cè)量車(chē)輛行使速度和路程的裝置，高分辨率的里程計(jì)可以精確測(cè)量車(chē)輛行駛的速度和路程，可以從捷聯(lián)慣導(dǎo)中獲得姿態(tài)和航向信息，進(jìn)行定位解算，而且隨時(shí)間累積的定位誤差較小，可作為SINS的參考信息。所以建立以SINS為主，里程計(jì)為輔加以卡爾曼濾波的水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該組合模式工作能有效利用各自的優(yōu)點(diǎn)，在低成本的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的慣導(dǎo)組合系統(tǒng)。

l SINS／OD水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型的建立
1．1 里程計(jì)的誤差分析
設(shè)采礦車(chē)的行使速度為vD，它指向載車(chē)的正前方，寫(xiě)成矢量形式為：

其中：vbE，vbN和vbU分別為vD在東北天方向的分量。因此采礦車(chē)的速度在n系的表達(dá)形式為：

其中：Cnb為捷聯(lián)姿態(tài)矩陣。
先來(lái)分析定位誤差：
里程儀的位置方程：

其中：地球表面上的任一點(diǎn)處沿子午圈的主曲率半徑為：RM△Re(1―2e+3esin2L)；地球表面上的任一點(diǎn)處沿卯酉圈的主曲率半徑為：RN△Re(1+esin2L)；L為地理緯度；λ為地理經(jīng)度；h為高度。設(shè)里程儀的位置更新周期為T(mén)j=tj-tj-1，并假設(shè)里程儀速度vD和捷聯(lián)姿態(tài)矩陣Cnb在[tj-1，tj]內(nèi)可采樣N次(即vnD可采樣N次)，則：

那么，由里程儀位置微分方程可直接寫(xiě)出位置誤差方程：

其中：δLD為緯度誤差；δλD為經(jīng)度誤差；δhD為高度誤差。
接著分析里程計(jì)的速度誤差：