一種分布式pos用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，可以應(yīng)用于分 布式POS (Position and Orientation System,位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)），也可以應(yīng)用于慣性網(wǎng) 絡(luò)協(xié)同導(dǎo)航、慣性/GPS (Global Position System,全球定位系統(tǒng)）組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處 理與導(dǎo)航計(jì)算。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度P0S由慣性測(cè)量單兀（InertialMeasurementUnit,IMU)和GPS組成。IMU 是INS(InertialNavigationSystem，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）/GPS、P0S等慣性測(cè)量系統(tǒng)的核心部 件；GPS能夠提供位置、速度、時(shí)間以及高精度的秒脈沖（pulsepersecond，PPS)信息。高 精度P0S可以為高分辨率航空遙感系統(tǒng)提供高頻、高精度的時(shí)間、空間基準(zhǔn)信息，通過(guò)運(yùn)動(dòng) 誤差補(bǔ)償提高成像精度和效率，是實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的關(guān)鍵。我國(guó)在單P0S研制方面取得 了一定的進(jìn)展，但是由于對(duì)地觀測(cè)載荷的需求牽引，如集成高分辨率測(cè)繪相機(jī)、全譜段成像 光譜儀、大視場(chǎng)紅外掃描儀、SAR于同一載機(jī)的多任務(wù)載荷，機(jī)載分布式陣列天線SAR和柔 性多基線干涉SAR以及艇載稀疏陣列成像雷達(dá)等，多個(gè)或多種觀測(cè)載荷安裝在飛機(jī)的不同 位置，采用傳統(tǒng)的單一P0S系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的高精度位置姿態(tài)測(cè)量以及各載荷數(shù)據(jù)的時(shí) 間統(tǒng)一，迫切需要建立起高精度分布式時(shí)空基準(zhǔn)系統(tǒng)，為高性能航空遙感系統(tǒng)中所有載荷 提供高精度的時(shí)間、空間信息。
[0003] 針對(duì)一主兩子干涉SAR系統(tǒng)，建立高精度分布式P0S系統(tǒng)。分布式P0S由主P0S 和兩個(gè)分布在機(jī)翼下的子IMU組成。主P0S解算獲得飛機(jī)的高精度位置、速度和姿態(tài)等運(yùn) 動(dòng)參數(shù)，兩個(gè)子MU利用主P0S提供的信息進(jìn)行傳遞對(duì)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)信息的精確 測(cè)量。
[0004] 分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，是完成分布式P0S實(shí)時(shí)導(dǎo)航的 核心，該方法接收主頂U(kuò)、兩個(gè)子MU和GPS提供的原始信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、初始對(duì)準(zhǔn)、 捷聯(lián)解算、組合濾波、傳遞對(duì)準(zhǔn)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)發(fā)送等任務(wù)?，F(xiàn)有分布式P0S傳遞對(duì)準(zhǔn)方法 在建立狀態(tài)方程時(shí)沒(méi)有考慮桿臂長(zhǎng)度誤差的影響，不能實(shí)時(shí)估計(jì)出主/子頂U(kuò)之間的桿臂 長(zhǎng)度；且現(xiàn)有方法計(jì)算量較大，適用于事后處理，不能應(yīng)用于分布式P0S的實(shí)時(shí)導(dǎo)航。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處 理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方 法，其步驟如下：
[0007] (1)主P0S實(shí)時(shí)導(dǎo)航；首先，采用基于PPS實(shí)時(shí)標(biāo)定與分頻的時(shí)間同步方法實(shí)現(xiàn)分 布式P0S主/子MU原始數(shù)據(jù)的同時(shí)刻采集，其次，將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行桿臂補(bǔ)償，獲得桿臂補(bǔ) 償后的位置和速度信息，利用主頂U(kuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)以及捷聯(lián)解算，獲得主MU的慣性導(dǎo) 航結(jié)果；采用卡爾曼濾波的方法估計(jì)主頂U(kuò)位置、速度、姿態(tài)和慣性器件誤差，并將估計(jì)出 的誤差進(jìn)行反饋校正，得到高精度的主POS實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果；
[0008] (2)子MU初始對(duì)準(zhǔn)；根據(jù)子MU數(shù)據(jù)和主P0S的位置信息，采用基于慣性矢量二 次積分的解析對(duì)準(zhǔn)方法完成搖擺基座下子MU初始對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)二次積分的方式，減小了環(huán) 境擾動(dòng)引起的加速度誤差，得到更精確的子MU初始位置、速度和姿態(tài)信息；
[0009] (3)子MU實(shí)時(shí)導(dǎo)航；初始對(duì)準(zhǔn)完成后，利用子MU數(shù)據(jù)進(jìn)行捷聯(lián)解算，獲得子MU 慣性導(dǎo)航結(jié)果；采用基于多級(jí)桿臂補(bǔ)償?shù)目柭鼮V波方法完成分布式P0S傳遞對(duì)準(zhǔn)，估計(jì) 主/子MU之間的基線長(zhǎng)度誤差以及子MU位置、速度、姿態(tài)和慣性器件誤差，得到主/子 MU之間準(zhǔn)確的基線長(zhǎng)度和高精度的子MU實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果。
[0010] 上述步驟（1)中所述的基于PPS實(shí)時(shí)標(biāo)定與分頻的時(shí)間同步方法為：將PPS作為 同步脈沖信號(hào)引入三個(gè)頂U(kuò)的信號(hào)采集電路中，PPS秒脈沖觸發(fā)主/子MU在同一時(shí)刻啟 動(dòng)數(shù)據(jù)采集；然后根據(jù)每秒的PPS標(biāo)定IMU內(nèi)部時(shí)鐘，實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)采集周期分頻數(shù)，修正 MU內(nèi)部的時(shí)鐘漂移，保證各IMU-直在相同時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
[0011] 上述步驟（2)中所述的基于慣性矢量二次積分解析對(duì)準(zhǔn)的方法，通過(guò)下式確定子 IMU姿態(tài)矩陣:
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分布式POS用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，其特征在于包括下列步驟： (1) 主P0S實(shí)時(shí)導(dǎo)航；首先，采用基于PPS實(shí)時(shí)標(biāo)定與分頻的時(shí)間同步方法實(shí)現(xiàn)分布式 P0S主/子MU原始數(shù)據(jù)的同時(shí)刻采集，其次，將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行桿臂補(bǔ)償，獲得桿臂補(bǔ)償后的 位置和速度信息，利用主MU數(shù)據(jù)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)以及捷聯(lián)解算，獲得慣性導(dǎo)航結(jié)果，采用卡 爾曼濾波的方法估計(jì)主頂U(kuò)位置、速度、姿態(tài)和慣性器件誤差，得到高精度的主P0S實(shí)時(shí)導(dǎo) 航結(jié)果； (2) 子MU初始對(duì)準(zhǔn)；根據(jù)子MU數(shù)據(jù)和主P0S的位置信息，采用基于慣性矢量二次積 分的解析對(duì)準(zhǔn)方法完成搖擺基座下子頂U(kuò)初始對(duì)準(zhǔn)，得到子MU初始位置、速度和姿態(tài)信 息； (3) 子IMU實(shí)時(shí)導(dǎo)航；初始對(duì)準(zhǔn)完成后，利用子IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行捷聯(lián)解算，獲得慣性導(dǎo)航 結(jié)果；采用基于多級(jí)桿臂補(bǔ)償?shù)目柭鼮V波方法完成分布式P0S傳遞對(duì)準(zhǔn)，估計(jì)主/子IMU 之間的基線長(zhǎng)度誤差以及子MU位置、速度、姿態(tài)和慣性器件誤差，得到主/子MU之間準(zhǔn) 確的基線長(zhǎng)度和高精度的子IMU實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，其特 征在于：步驟（1)所述的基于PPS實(shí)時(shí)標(biāo)定與分頻的時(shí)間同步方法中，以PPS作為同步脈沖 信號(hào),觸發(fā)頂U(kuò)數(shù)據(jù)采集脈沖的產(chǎn)生，之后根據(jù)每秒的PPS標(biāo)定MU內(nèi)部時(shí)鐘，實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù) 據(jù)采集周期分頻數(shù)，修正MU內(nèi)部的時(shí)鐘漂移，保證各IMU-直在相同時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，其特 征在于：步驟（2)所述的基于慣性矢量二次積分的解析對(duì)準(zhǔn)方法中，二次積分是針對(duì)子IMU 中加速度計(jì)敏感到的重力加速度進(jìn)行的，第一次積分將加速度矢量轉(zhuǎn)化為速度矢量，第二 次積分將速度矢量轉(zhuǎn)化為位移矢量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式P0S用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，其特 征在于：步驟（3)所述的卡爾曼濾波方法中，狀態(tài)變量X共有18維，包括東、北、天向的失準(zhǔn) 角辦、辦、科/，東、北、天向的速度誤差SVE、SVN、，緯度、經(jīng)度、高度誤差SL、S入、 SH,x、y、z軸向的陀螺儀常值漂移誤差ex、ey、ez，x、y、z軸向加速度計(jì)常值漂移誤差 Vz，x、y、z軸向桿臂長(zhǎng)度誤差A(yù)rx、Ary、Arz;量測(cè)量Z是經(jīng)過(guò)多級(jí)桿臂補(bǔ)償 的速度誤差和位置誤差，多級(jí)桿臂分別為GPS與主MU之間的剛性桿臂和主/子MU之間 的柔性桿臂。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種分布式POS用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)導(dǎo)航方法，首先，采用基于PPS實(shí)時(shí)標(biāo)定與分頻的時(shí)間同步方法實(shí)現(xiàn)三個(gè)IMU原始數(shù)據(jù)的同時(shí)刻采集；其次，將主IMU數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)融合得出主POS實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果；子IMU采用基于慣性矢量二次積分的解析對(duì)準(zhǔn)方法完成搖擺基座初始對(duì)準(zhǔn)，并采用基于多級(jí)桿臂補(bǔ)償?shù)目柭鼮V波方法完成分布式POS傳遞對(duì)準(zhǔn)，得到子IMU實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果以及主/子IMU之間的相對(duì)空間關(guān)系；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一主兩子分布式POS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，適用于高精度分布式慣性測(cè)量、導(dǎo)航及組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
【IPC分類(lèi)】G01S19-47, G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104698486
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510138324
【發(fā)明人】李建利, 劉剛, 賈黎冬, 房建成, 白立建, 盧兆興, 葉文
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月26日