惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法技术方案

本发明专利技术公开了惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，属于导航技术领域。本发明专利技术针对惯性/卫星深组合系统实际应用中的惯性器件选型问题，通过分析载体所处动态环境对惯性器件的影响情况，推导得出惯性器件误差的传播特性，并计算当前接收机参数配置、惯性器件误差等级以及载体所处动态下的环路稳态跟踪误差，从而作出环路稳定性的判别，最终实现深组合实际系统在高动态场景下的器件选型和参数配置。本发明专利技术能够有效指导指定动态指标下的器件选型和系统参数配置工作，具有很强的工程参考与应用价值。

Dynamic adaptability matching method of inertial device precision and inertial satellite deep combination system

The invention discloses a dynamic adaptability matching method of inertial device precision and inertial satellite deep combination system, which belongs to the field of navigation technology. The present invention is directed to the inertial / Satellite deep combination problem of inertial device selection in practical application systems, through the analysis of influence of the carrier of the dynamic environment of inertial device, deduced the propagation characteristics of inertial device error, and calculate the current receiver configuration parameters, inertial device error level and the carrier of the dynamic loop steady-state tracking error thus, to determine loop stability, finally realize the deep combination of the actual system components selection and parameters in high dynamic scene configuration. The invention can effectively guide the selection of devices and the configuration of system parameters under the specified dynamic index, and has a strong reference and application value in engineering.

【技术实现步骤摘要】
惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法
本专利技术属于导航
，特别涉及了惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法。
技术介绍
惯性/卫星组合导航系统是目前导航领域的一种主流导航方式，而深组合导航技术通过将惯性信息引入接收机环路，使系统同时兼具高精度和高动态下的稳定性，是目前组合导航领域的研究前沿。但是由于深组合系统涉及惯性导航和卫星导航两套系统，其中复杂的环路辅助设计和硬件实现是制约其大规模推广使用的技术瓶颈。国内外科研机构和研究人员围绕深组合的原理实现和系统开发进行了大量的相关工作，而在系统设计过程中往往会面临在指定动态条件下的惯性器件选型问题，由于受到测试环境的制约，难以直接利用样机进行物理性能测试，如何在设计过程中就将动态适应性考虑在内是一个很重要的问题。迄今为止，尚未见到一种普适的惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性的匹配方法的报道。
技术实现思路
针对惯性/卫星深组合系统实际应用中的惯性器件选型问题，本专利技术旨在提供惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，包括以下步骤：(1)建立高动态环境下包含g敏感性误差的惯性器件输出模型；(2)根据深组合系统数学编排，建立系统状态方程和速度误差的状态微分方程；(3)分析惯性器件误差传播特性，建立速度误差与载体动态、惯性器件误差以及单位辅助周期的数学关系；(4)分析接收机载波环路跟踪误差的所有误差来源，将步骤(3)中的速度误差引入总跟踪误差中，计算当前接收机参数配置、惯性器件误差等级以及载体所处动态下的环路稳态跟踪误差，并建立环路稳定性判别式；(5)根据步骤(4)建立的环路稳定性判别式，判断惯性器件的精度是否与惯性卫星深组合系统的动态要求相匹配。进一步地，步骤(1)的具体过程如下：(101)根据惯性器件的产品说明手册确定各类主要固定误差参数，包括陀螺零漂、陀螺g敏感性误差常值项和加速度计零漂；(102)获取g敏感性误差的随机常值项、陀螺和加速度计输出的白噪声项；(103)将陀螺的输出表示为将加速度计的输出表示为其中，为陀螺真实输出，为陀螺理论输出，bg为陀螺零漂，G0为g敏感性误差常值系数，Gs表示g敏感性误差随机常值系数，为比力，ηg为陀螺输出白噪声，为加速度计真实输出，为加速度计理论输出，ba为加速度计零漂，ηa为加速度计输出白噪声。进一步地，步骤(2)的具体过程如下：(201)选取三维位置、速度、姿态、陀螺误差、加速度计误差、时钟误差作为状态量X＝[δReδVeδψeδωbδAbδT]T，其中，δRe、δVe、δψe表示ECEF坐标系下的三维位置、速度、姿态矢量，δωb、δAb表示机体坐标系下陀螺和加速度计误差矢量，δT表示时钟误差矢量；(202)根据深组合系统数学编排建立系统状态方程：上式中，为时钟误差系数矩阵，G为引力参数矩阵，μ为地球引力常量与地球质量的比值，[xyz]为ECEF坐标系下的位置矢量，为距离地心的距离，为地球旋转角速率矩阵，ωe＝7.292115e-5(rad/s)，为ECEF坐标系下比力矩阵，fx/fy/fz分别表示ECEF坐标系下三轴加速度计输出，为机体坐标系和ECEF坐标系的转换矩阵，Wg为陀螺噪声矩阵，Wa为加速度计噪声矩阵，ωT＝[0ωf]T为钟差噪声矩阵，wf为钟差漂移噪声，I为单位阵；(203)根据系统状态方程，得则在单位解算周期ΔT中的位置误差表示为δVeΔT，再根据归纳出速度误差的微分方程为进一步地，步骤(3)的具体过程如下：(301)求解速度误差的微分方程的解析近似解，由加速度计引起的速度误差为其中，由陀螺误差引起的速度误差为(302)对(δVe)acc-bias和(δVe)gyro-bias进行泰勒展开，并忽略高阶小量，得，(303)根据范数的三角不等式特性，对步骤(302)中的两式分别取范数，得，(304)对于系统而言，总的速度误差表示为：进一步地，步骤(4)的具体过程如下：(401)根据接收机的各项参数对载波环路中热噪声、机械振颤噪声、阿兰晶振噪声进行计算，热噪声引起的相位抖动为机械振颤噪声引起的相位抖动σv＝2°，阿兰晶振噪声引起的相位抖动为其中，BL表示环路等效带宽，C/N0表示载噪比，Tcoh表示预检积分时间，c表示光速，λ表示载波波长,σA(τ)表示阿兰晶振漂移短期均方差；(402)环路动态应力噪声表示为其中，an表示环路滤波参数，n表示环路阶数，R(n)表示载体与卫星相对距离的n阶导数，单位辅助周期内的速度误差等效为一种相对运动，因此R(n)＝δvR(n-1)；(403)为确保跟踪环路的稳定性，三倍环路相位误差量不能超过四分之一鉴相牵入范围，四分之一鉴相牵入范围为45°，由此建立环路稳定性判别式：进一步地，在步骤(5)中，若满足环路稳定性判别式，则判断当前惯性器件的精度与惯性卫星深组合系统的动态要求相匹配；若不满足环路稳定性判别式，则选择更高精度的惯性器件，并返回步骤(1)。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术首次提出一种高效通用的深组合环路动态适应性判别方法，可以有效指导指定动态指标下的器件选型和系统参数配置工作，具有很强的工程参考与应用价值。本专利技术提出的匹配方法原理可靠，手段灵活，为深组合系统的工程实现方案提供了新的思路和方法。附图说明图1是本专利技术的整体流程图；图2(a)-2(f)是实施例中三种精度等级的惯性器件辅助下的深组合系统导航结果对比图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术设计了一种惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性的匹配方法，利用数学推导，得出惯性器件误差的传播特性，并计算出接收机参数配置、惯性器件误差等级以及载体所处动态下的环路稳态跟踪误差，从而作出环路稳定性的判别，解决了深组合系统在高动态场景下的器件选型和参数配置选型问题，方法流程框图如图1所示。具体过程如下。步骤一、建立高动态环境下包含g敏感性误差的惯性器件误差模型：1)根据惯性器件的产品说明手册确定各类主要固定误差参数，包括陀螺零漂、陀螺g敏感性误差常值项、加速度计零漂；2)通过转台标定等手段获取g敏感性误差的随机常值项、陀螺和加速度计输出的白噪声项；3)将陀螺输出表示为其中表示陀螺真实输出，表示陀螺理论输出，bg表示陀螺零漂，G0表示g敏感性误差常值系数，Gs表示g敏感性误差随机常值系数，为比力，ηg为陀螺输出白噪声。将加速度计输出表示为其中表示加速度计真实输出，表示加速度计理论输出，ba表示加速度计零漂，ηa为加速度计输出白噪声。步骤二、根据深组合系统数学编排，建立系统状态方程和速度误差的状态微分方程：1)选取三维位置、速度、姿态、陀螺误差、加速度计误差、时钟误差作为状态量，表达为X＝[δReδVeδψeδωbδAbδT]T，其中δRe、δVe、δψe表示ECEF坐标系下的三维位置、速度、姿态矢量，δωb、δAb表示机体坐标系下陀螺和加速度计误差矢量，δT表示时钟误差矢量，包括钟差偏置δTbias和钟差漂移δTdrift；2)根据深组合系统数学编排建立系统状态方程如下：上式中，其中G为引力参数矩阵，μ＝3.986005e+14(m3/s2本文档来自技高网...

【技术保护点】
惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立高动态环境下包含g敏感性误差的惯性器件输出模型；(2)根据深组合系统数学编排，建立系统状态方程和速度误差的状态微分方程；(3)分析惯性器件误差传播特性，建立速度误差与载体动态、惯性器件误差以及单位辅助周期的数学关系；(4)分析接收机载波环路跟踪误差的所有误差来源，将步骤(3)中的速度误差引入总跟踪误差中，计算当前接收机参数配置、惯性器件误差等级以及载体所处动态下的环路稳态跟踪误差，并建立环路稳定性判别式；(5)根据步骤(4)建立的环路稳定性判别式，判断惯性器件的精度是否与惯性卫星深组合系统的动态要求相匹配。

【技术特征摘要】
1.惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立高动态环境下包含g敏感性误差的惯性器件输出模型；(2)根据深组合系统数学编排，建立系统状态方程和速度误差的状态微分方程；(3)分析惯性器件误差传播特性，建立速度误差与载体动态、惯性器件误差以及单位辅助周期的数学关系；(4)分析接收机载波环路跟踪误差的所有误差来源，将步骤(3)中的速度误差引入总跟踪误差中，计算当前接收机参数配置、惯性器件误差等级以及载体所处动态下的环路稳态跟踪误差，并建立环路稳定性判别式；(5)根据步骤(4)建立的环路稳定性判别式，判断惯性器件的精度是否与惯性卫星深组合系统的动态要求相匹配。2.根据权利要求1所述惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：(101)根据惯性器件的产品说明手册确定各类主要固定误差参数，包括陀螺零漂、陀螺g敏感性误差常值项和加速度计零漂；(102)获取g敏感性误差的随机常值项、陀螺和加速度计输出的白噪声项；(103)将陀螺的输出表示为将加速度计的输出表示为其中，为陀螺真实输出，为陀螺理论输出，bg为陀螺零漂，G0为g敏感性误差常值系数，Gs表示g敏感性误差随机常值系数，为比力，ηg为陀螺输出白噪声，为加速度计真实输出，为加速度计理论输出，ba为加速度计零漂，ηa为加速度计输出白噪声。3.根据权利要求1所述惯性器件精度与惯性卫星深组合系统动态适应性匹配方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程如下：(201)选取三维位置、速度、姿态、陀螺误差、加速度计误差、时钟误差作为状态量X＝[δReδVeδψeδωbδAbδT]T，其中，δRe、δVe、δψe表示ECEF坐标系下的三维位置、速度、姿态矢量，δωb、δAb表示机体坐标系下陀螺和加速度计误差矢量，δT表示时钟误差矢量；(202)根据深组合系统数学编排建立系统状态方程：上式中，为时钟误差系数矩阵，G为引力参数矩阵，μ为地球引力常量与地球质量的比值，[xyz]为ECEF坐标系下的位置矢量，为距离地心的距离，为地球旋转角速率矩阵，ωe＝7.292115e-5(rad/s)，为ECEF坐标系下比力矩阵，fx/fy/fz分别表示ECEF坐标系下三轴加速度计输出，为机体坐标系和ECEF坐标系的转换矩阵，Wg为陀螺噪声矩阵，Wa为加速度计噪声矩阵，ωT＝[0ωf]T为钟差噪声矩阵，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈驵，赖际舟，李荣冰，刘建业，季国田，赵宏宇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32