一种提高车载定位定向系统定位精度的方法

第2期
王东升等：一种提高车载定位定向系统定位精度的方法
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位误差主要由初始位置误差和一定时间内里程增量误
n 决定。而由式(5)得里程增量误差随时间增大相 差 δS d
ˆ 为真值 P ， 以惯导平台解算的位置 P 航位推算的 ˆ 位置 P 与惯导解算的位置之差作为卡尔曼滤波器的
d
对缓慢，则航位推算定位误差随时间增大相对较小。 由于里程增量误差主要由载车的方位姿态误差角
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0 0 n n S 0 Sd 0 Sd S d δK d z y
n d
(5a)
忽略垂直方向速度和高度方向影响，得导航坐标 系下里程计测量的水平方向的位置误差为：
Sdx Sdy n δS d ( z z ) δK d Sdx Sdy Sdx Sdy z δK d S dx Sdy
δL]T 为经纬度误差， δv n [δvx
δv y ]T 为东
向和北向速度误差。
sin cos Sdz cos cos Sd sin
T
式(6)表明，惯导系统位置误差主要由速度误差造 (2) 成。 在初始对准完后， 由于短时间内惯导的速度误差非 常小， 所以惯导系统短时间内定位精度高。 但是随着时 间的延续，速度误差快速增大，位置误差迅速增大。 1.3 航位推算位置误差 由于里程计输出的是路程增量， 通过式(5)(6)组合 并写成路程增量表示的航位推算定位误差方程为：
sec L R 其中， M1 n 0 vn 0 x sec L tan L ， M2 Rn 1 0 Rm
具。选取东一北一天(ENU)地理坐标系为导航坐标系， 记为n系； 惯导系统安装到载车上， 载车坐标系取车右 一车前一车上，记为b系。 按照上述定义，里程计在一定时间的增量输出可 以在载车坐标系上表示为：
第 20 卷第 2 期 2012 年 4 月 文章编号：1005-6734(2012)02-0187-05
中国惯性技术学报 Journal of Chinese Inertial Technology
Vol.20 No.2 Apr. 2012
一种提高车载定位定向系统定位精度的方法
王东升，蔡俊华，林晓彬，杨 帆，刘真晖，陈兴洲
收稿日期：2011-11-16 修回日期：2012-03-07 基金项目：国防科技重点预研项目（51309010303） 作者简介：王东升（1968—） ，男，研究员，硕士生导师，主要从事惯导系统的研究。E-mail：wangds353@sina.com
会随着时间的增长不断积累发散[1-2] ，纯惯性定位定 向系统为了满足精度要求，需要每隔一段时间停车作 零速修正[3-4]。 采用惯导系统和测速装置或里程仪组成 的航位推算系统利用里程计的输出和惯导提供的姿态
(7)
、、 都为小角度， 由式(2)和(3)得里程计的实际增
量输出在导航坐标系下的表达式为：
sin( z ) cos( y ) n ˆ Sd I 1 δK d cos( z ) cos( y ) Sd sin( y ) (4)
δpd δd
n δLd δpd _1 M1 δSd M 3 δpd _1 T
Sdy
由于里程计存在标度因数误差 δK d ，且是里程计测 量误差的主要来源，里程计测量的实际里程表达式为：
ˆ 1 δK S S d d
(3)
惯导平台以一定方位安装在载车上， 载车姿态角 由惯导平台解算得到，由于惯导组件与载车之间有安 装误差 ，且惯导系统自身存在姿态误差 ，所以载 车存在姿态测量误差。设载车的姿态误差角为 ，且
(Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China) Abstract: In order to ensure the battlefield survivability and autonomy of the weapons and equipments for land vehicle, an inertial positioning and heading system for land vehicle should not do zero-velocity update or use GPS as much as possible to improve the precision. In this paper, by studying the error models of navigation system, it is concluded that the errors of dead reckoning system changed slowly with time, though the system’s precision is high in short time. A method for improving the system precision was proposed. In this method, the errors of vehicle installing and odometer scale factor are estimated and compensated by inertial navigation system, and the inertial navigation system is corrected by dead reckoning system. The weight function is used to bring a better precision positioning. Theory study and simulation show that this method can estimate out the scale factor error and installing error by no more than 2 min, and the estimation precision can reach more than 90% of preset values, the weighted position errors are no more than 0.2% of mileage. Keyword: inertial positioning and heading system; dead reckoning system; error of installing; scale factor error; weight function 惯导系统以其特有的自主性和提供导航信息的连 续性等特点，在国防导航领域得到了广泛的应用。用 作陆基导弹、制导炮弹等武器机动发射的车载定位定 向系统对导航精度要求高，由于惯导系统的导航误差
b Sd 0 Sd
(6)
0 ， 0
0
T
(1)
其中， Sd 为里程计测得的里程增量。 设定载车的正前方向逆时针转向导航坐标系正 北方的夹角为车的航向角， 载车姿态角 （b系相对n系） 为 、、 ，从而在导航坐标系下里程计增量输出的 表达式为：
n Sd S dx
δ p [δ
输入量，即量测向量为：
ˆ P ˆ ( P δP ) P δP ZP d d d
z 和里程计标度因数误差 δK d 影响。所以对载车方位
姿态误差角和里程计标度因数误差进行估计并补偿， 是提高航位推算系统定位精度的关键。
得量测方程：
Z HX V
(9)
δLd ]T
其中， H [I22 022 ] ， V为量测噪声， δPd [δd 为航位推算位置误差。 2.2 导航中后期用航位推算对惯导系统校正
2
方案设计及算法
由上节分析可得，惯导系统与航位推算系统有不
同的位置误差变化规律，由此可推导出一种提高定位 定向系统定位精度的方法即分段组合方法：在导航前 期利用惯导对航位推算系统进行较正；在中后期利用 航位推算系统校正惯导系统；在导航全阶段利用加权 函数对位置输出进行优化处理。 2.1 安装误差 z 和里程计标度因数误差 δKd 的估计 根据惯导系统位置误差变化特性得知：在惯导系 统初始对准完后，导航系统短时间内定位精度很高， 惯导初始姿态误差角 很小，则可以在短时间内把惯 导解算的位置当作真实位置使用。由于短时间内由惯 导方位姿态误差角 z 造成的航位推算系统和惯导系 统的位置误差很小，且它是影响航位推算位置误差和 惯导位置误差的相同误差源，两误差相减有一定的抵 消，则短时间内可忽略 z 误差角的影响。基于上述观 点，我们可以不需要路标点或GPS信号，在导航初期 采用以下组合模式：利用位置为参考量，用惯导的位 置输出对航位推算系统进行校正，利用卡尔曼滤波技 术估计出载车方位安装误差角和里程计标度因数误差 并经行补偿，提高航位推算系统的定位精度。 选取状态变量 X [δd 状态方程：
（天津航海仪器研究所，天津 300131） 摘要：在车载定位定向系统中，通常采用停车修正或引入GPS等外信息校正系统，这会降低陆地武器 装备的战场生存能力和自主性。基于上述情况，分析了惯导系统以及与里程计构成的航位推算系统的 误差模型，得出了惯导系统短时间内定位精度高以及航位推算系统定位误差随时间增长缓慢的规律。 据此推导并提出了一种提高系统定位精度的方法，该方法不需要停车或外部信息，首先利用惯导系统 对航位推算系统进行校正，估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差并进行补偿；之后利用航位 推算系统对惯导系统进行校正；采用加权函数对系统位置输出进行加权优化处理。理论分析和仿真实 验表明利用此方法在2 min内能估计出里程计标度因数误差和载车的安装误差，估计精度在90%以上； 加权后的位置输出精度在0.2%D(D为里程)以上。 关 键 词：定位定向系统；航位推算；安装误差；标度因数误差；加权函数 文献标志码：A 中图分类号：U666.1
(5b)
1
1.1
误差分析
里程计测量误差 里程计是航位推算系统获取载车路程变化的工
由上式可以得到里程计水平方向的位置误差主要 由载车的方位姿态角误差 z z z 和里程计标度 因数误差 δK d 影响。 1.2 惯导位置误差 惯导系统位置误差方程如下：
M1 δv n M 2 δp δp
S n (1) sec L tan L / Rn 其中， M 3 d 0 δpd [δd
0 ， 0
δLd ]T 为一定时间段的航位推算定位误
差，
δpd _1 [δd _1 δLd _1 ]T 为 δpd 前一时刻的值。
由航位推算定位误差方程式(7)得到航位推算定
。 但是随着现代战
场信息化技术的飞速发展，提高陆地军事部队和武器 装备的生存能力、快速反应和精确打击能力变得尤为 重要，应尽可能的不用 GPS 信息和停车进行修正。本 文通过对惯导和航位推算误差模型的研究分析，根据 惯导系统和航位推算系统定位误差变化规律的不同， 提出一种不依靠 GPS 信息， 在不采取零速修正和路标 点校正的情况下保证系统定位精度的方法-分段组合 加权法，该方法能在不影响战场生存能力和自主性下 提高系统的定位精度。
Method of improving the positioning precision about inertial positioning and heading system for land vehicle
WANG Dong-sheng, CAI Jun-hua, LIN Xiao-bin, YANG Fan, LIU Zhen-hui, CHEN Xing-zhou
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中国惯性技术学报
第 20 卷
信息进行位置解算，载车姿态误差及里程计标度因数 误差会影响它的定位精度，需要通过路标点或获取 GPS 信息等方式进行估计和补偿
[5-8]
用式(4)减去式(2)并忽略关于 z 、 z 、 y 和 δK d 的 高阶小量得：
n ˆn Sn δS d S d d