一种双捷联微小型惯性组合导航系统设计研究.pdf

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 11D 年A 月 ! ! ! ! 中 国空 间科 学 技 术! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = #$%’(’ ()*#’ (#%’#’ *+ ,’#$-.-/0 第! ! 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 一种双捷联微小型惯性组合导航系统设计研究 刘瑞华 （中国民航学院，天津1111 ） 摘要! 介绍了一种使组合导航系统具有系统级冗余的基于 2’2(3%24 的双 (%(5 /)(5 +67789: 组合导航系统，讨论了系统的体系结构及分层联合卡尔曼滤波器的设计和计 算方法，给出了基于滤波器测量残差检验的硬故障;+% 算法和基于状态估计的软故障 ;+% 算法。计算机仿真结果表明，该系统具有结构灵活、计算方便、可靠性高的优点。 主题词! 组合式导航! 卡尔曼滤波! 故障检测! 系统仿真 =! 引言 捷联惯性导航系统（(%( ）是一种能够全自主提供导航参数的设备，但其速度和位置误差会随 时间的延长而增大，为此，一般将其作为参考导航系统，与其他导航设备组成以惯导为主体的组合 导航系统［=， ］。将(%( 与/)( 、+67789: 组合后，惯性导航系统能获得/)( 高精度的位置、速度信 息和+67789: 的速度、航向辅助信息，从而将大大提高组合导航系统的精度，并具有运行中对准和 ［ ］ 再对准的能力，因而是一种比较理想的组合方式 。 随着纳米加工技术的发展进步，低成本、高可靠性的微机电惯性测量元件的性能越来越高，已 经基本满足了短时间、中等精度的航天器的导航需求［? @ A ］。同时，导航计算机的运算速度也有了前 所未有的提高，能够在有限的导航计算周期内完成更多的计算功能。鉴于此，本文介绍一种以 2’2(3%24 为惯性敏感元件的双(%(5 /)(5 +67789: 微小型组合导航系统，给出分层联合卡尔曼滤 波器的结构组成和算法原理，设计了具有很高容错性能的组合导航系统的;+% 算法，并对此系统 进行了计算机仿真。 ! 分层联合卡尔曼滤波器 B =! 分层联合卡尔曼滤波器基本原理 分层联合滤波器是一个滤波器族，由多个相互独立、各不相同的卡尔曼滤波器构成。本文的设 计思路是，惯导系统的故障检测由两个(%( 构成的联合滤波器实现，辅助传感器的故障检测由一 个(%( 和至少一个辅助传感器构成的联合滤波器实现。对于本系统来讲，除了(%(= 和(%( 这 两个惯导系统外，还有/)( 和+67789: 这两个辅助传感器，共可以构造C 个子滤波器。 采用分层联合滤波器的优点是，当某一个或多个传感器发生故障时，可以将含故障系统的子滤 波器从滤波器族中剔除，而其余子滤波器却不受已剔除系统的影响，可以继续正常工作，方便地实 国家自然科学基金资助项目 （A1?C=D ） 收稿日期：11? 3=13=D 。收修改稿日期：11D31 =31C 万方数据 # % % % % % % % % % % % % % % % 中国空间科学技术% % % % % % % % % % % % % #++9 年= 月 ［! ， ］ 现故障隔离和导航状态重构 。同时，由于每个子联合滤波器均并行工作，除了因滤波器数目较 多引起较大计算量外，与一般联合滤波器具有相同的算法，设计起来相当方便和灵活。 #$ #% ’() 分层联合卡尔曼滤波器内部结构 为了后文叙述方便，将本组合导航系统中的各子联合滤波器的构成及名称列入表*。 根据表* 关于滤波器构成的描述，可绘出具有’() 功能的 表*% 分层联合滤波器构成 分层联合卡尔曼滤波器的结构如图* 所示。可见，在分层联合滤