一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法技术方案

本发明专利技术为一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法。包括如下步骤：(1)：数据采集；(2)对准、修正平台误差角：采用组合导航系统的芯片对导弹进行对准，根据卫星信息对平台误差角进行修正；(3)数据处理、组合导航：用MEMS惯性测量系统的位置误差、速度误差以及姿态误差作为组合导航系统的状态变量；将MEMS惯性测量系统输出的与卫星导航系统和磁传感器输出的位置差值、速度差值以及姿态差值作为系统的量测量；通过磁传感器和卫星实现对MEMS惯性测量系统数据的粗对准、精对准及修正INS导航结果，最后输出导航结果。本发明专利技术提出MEMS惯性加磁传感器和卫星导航构成的组合导航系统的方案，利用MEMS的自主性和磁传感器、卫星导航的可靠性，来提高导航精度。来提高导航精度。来提高导航精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法


[0001]本专利技术属于制导控制领域，具体涉及一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法。

技术介绍

[0002]随着科技的飞速发展，现代战争形式趋于智能化及信息化。然而常规火炮仍然通过“以量取胜”的方式来实现战术目标，无法满足现代战争条件下对于武器精度和效率的需求，于是精确制导武器应运而生。通过常规弹药进行制导化改造可以大大提高武器的打击精度，使其能够有效地摧毁目标，因此采用飞行控制技术调整弹道轨迹、气动特性的精确制导武器成为各个国家的研究重点。制导弹箭在发射、飞行过程中，对其状态和环境特征量不断进行收集、逻辑分析和解算、决策，甚至和武器系统进行信息交互，来调节飞行弹道，实现增程、精确打击或信息对抗等目的。同其他武器相比，制导炮弹的维护成本低，机动性强，使用传统的火炮平台即可发射。制导炮弹的制导方式主要分为激光式制导、毫米式制导以及组合制导三种方式因为制导炮弹的发射条件十分恶劣，对惯性传感器的要求造成了较大的限制，因此通常采用基于微机电系统的惯性传感器。
[0003]MEMS是一种微机电系统，其内部主要是由微机械结构、微信号传感器和微执行器构成，除此以外还可以将电路接口以及通讯、电源和数字信号处理(DSP)电路也设计在系统里。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技艺制造出来的新型传感器，与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、抗高过载、可靠性高、始于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。因此，MEMS惯性传感技术在航天、军事等领域有这广泛的应用。
[0004]MEMS惯性传感器主要包括加速度计(或加速度传感器)和角速度传感器(陀螺)以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元)，AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统)。其工作原理主要依赖于牛顿定律，在给定运动的初始条件的情况下，测量载体相对惯性空间的角运动参数以及线运动参数，经过导航计算机解算之后，求解出载体的速度、位置、姿态以及航向。MEMS惯性传感器是制导弹箭的关键部件，它实时测量弹箭飞行过程的空间位置、速度、加速度、姿态角、姿态角速度等信息，为控制系统提供基础信息。
[0005]最近十年来，国内对MEMS惯性传感器的研发热度很高，尤其是2010年后，国内顶尖研究机构都研发了MEMS传感器及其上弹应用。主要研究方法有：“MEMS
‑
INS/GPS双星组合定位方法研究”，王小峰，现代导航，第6卷第6期，第487～491页，2015年。“基于惯性系下陀螺误差在线估计修正的惯性与星光组合导航方法”，赵慧，兵工学报，第37卷第12期，第2259～2267页，2016年。“多星座GNSS/INS紧耦合方法”，杨涛，中国惯性技术学报，第23卷第1期，第38～42页，2015年。“基于超紧耦合GPS/INS的远程火箭弹组合导航方法”，赵捍东，测试科学与仪器，第6卷第2期，第153～160页，2015年。
[0006]现有的导航方式中，MEMS惯导是最常见的导航方式，但是由于惯导在上弹应用上还具有如下缺点：小体积抗过载能力差、长时间容易发散、算法复杂，不适应高过载、体积有限、滚转速度高的弹箭。因此，研究抗高过载、高精度、低成本、微功耗、可集成的方法和技术
已成为国内外研究的重点。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法。
[0008]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法，采用MEMS惯性测量系统作为基础，磁传感器和卫星进行辅助的组合导航系统，包括如下步骤：
[0009]步骤(1)：数据采集：读取MEMS惯性测量系统的陀螺仪和加速度计，及磁传感器的输出数据，接收卫星数据；
[0010]步骤(2)：对准、修正平台误差角：采用组合导航系统的芯片对导弹进行对准，根据卫星信息对平台误差角进行修正；
[0011]步骤(3)：数据处理、组合导航：用MEMS惯性测量系统的位置误差、速度误差以及姿态误差作为组合导航系统的状态变量；将MEMS惯性测量系统输出的与卫星导航系统和磁传感器输出的位置差值、速度差值以及姿态差值作为系统的量测量；通过磁传感器和卫星实现对MEMS惯性测量系统数据的粗对准、精对准及修正INS导航结果，最后输出导航结果。
[0012]进一步的，步骤(3)“数据处理、组合导航”采用的算法具体如下：
[0013]在MEMS惯性测量系统状态方程的基础上，考虑磁传感器和卫星的数据，得到组合导航系统的状态方程和量测方程，所述状态方程如下：
[0014][0015]其中，状态变量X(t)如下式所示：
[0016][0017]其中δL，δλ，δh是惯性导航系统的位置误差，δV
E
，δV
N
，δV
U
是惯性导航系统的速度误差，是惯性导航系统的姿态误差，ε
x
，ε
y
，ε
z
是MEMS传感器的漂移误差；
[0018]F为转移矩阵，G
(t)
系统激励输入矩阵，W(t)激励噪声
[0019]所述量测方程如下：
[0020]Z
k
＝H
k
X
k
+V
k
[0021]其中，状态变量Z
k
为：
[0022][0023][0024]其中，ΔL，Δλ，Δh是惯性导航系统与卫星导航输出的位置差；ΔV
e
，ΔV
n
，ΔV
u
是惯性导航系统与卫星导航输出的速度差；是惯性导航系统相对于地磁传感器输出的的失准角；D为失准角；N
E
，N
N
，N
U
为卫星导航接收到的位置信息的偏差值；M
E
，M
N
，M
U
卫星导航接收到的速度偏差值,R是地球半径，L代表经度。
[0025]进一步的，所述状态方程中的转移矩阵F为：
[0026][0027]式中：
[0028][0029][0030][0031][0032][0033][0034][0035]其中，L、λ、h分别代表经度、维度、高度；V
e
、V
n
、V
u
分别是惯性导航系统测得弹体在东北天方向的速度；f
e
、f
u
、f
n
为惯性导航系统加速度计在东北天方向的输出；τ
GDx
、τ
GDy
、τ
GDz
是相关时间；ω
ie
是地球自转角速度；R是地球半径。
[0036]进一步的，所述激励噪声W(t)如下式所示：
[0037]W(t)＝[σ
x σ
y σ
z ε
x ε
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS惯性测量系统的组合导航方法，其特征在于，采用MEMS惯性测量系统作为基础，磁传感器和卫星进行辅助的组合导航系统，包括如下步骤：步骤(1)：数据采集：读取MEMS惯性测量系统的陀螺仪和加速度计，及磁传感器的输出数据，接收卫星数据；步骤(2)：对准、修正平台误差角：采用组合导航系统的芯片对导弹进行对准，根据卫星信息对平台误差角进行修正；步骤(3)：数据处理、组合导航：用MEMS惯性测量系统的位置误差、速度误差以及姿态误差作为组合导航系统的状态变量；将MEMS惯性测量系统输出的与卫星导航系统和磁传感器输出的位置差值、速度差值以及姿态差值作为系统的量测量；通过磁传感器和卫星实现对MEMS惯性测量系统数据的粗对准、精对准及修正INS导航结果，最后输出导航结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)“数据处理、组合导航”采用的算法具体如下：在MEMS惯性测量系统状态方程的基础上，考虑磁传感器和卫星的数据，得到组合导航系统的状态方程和量测方程，所述状态方程如下：其中，状态变量X(t)如下式所示：其中δL，δλ，δh是惯性导航系统的位置误差，δV
E
，δV
N
，δV
U
是惯性导航系统的速度误差，是惯性导航系统的姿态误差，ε
x
，ε
y
，ε
z
是MEMS传感器的漂移误差；F为转移矩阵，G
(t)
系统激励输入矩阵，W(t)激励噪声所述量测方程如下：Z
k
＝H
k
X
k
+V
k
其中，状态变量Z
k
为：为：其中，ΔL，Δλ，Δh是惯性导航系统与卫星导航输出的位置差；ΔV
e
，ΔV
n
，ΔV
u
是惯性导航系统与卫星导航输出的速度差；是惯性导航系统相对于地磁传感器输出的的失准角；D为失准角；N
E
，N
N
，N
U
为卫星导航接收到的位置信息的偏差值；M
E
，M
N
，M
U
卫星导航接收到的速度偏差值,R是地球半径，L代表经度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态方程中的转移矩阵F为：式中：
其中，L、λ、h分别代表经度、维度、高度；V
e

【专利技术属性】
技术研发人员：易文俊，陈明玥，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：