基于捷聯(lián)慣性導航的組合導航系統研究

0 引 言
水下導航系統，其工作環(huán)境位于水下，不利于實(shí)現人為的控制，而且衛星信號在水下和地下往往無(wú)法接收到，且易受干擾，所以人和衛星信號都無(wú)法實(shí)現對其定位定向的要求。慣性導航這種自主式導航系統可以實(shí)現對輪式水下采礦車(chē)的定位定向。
慣性導航系統(Inertial Navigation System，INS)是一種既不依賴(lài)外部信息、又不發(fā)射能量的自主式導航系統，隱蔽性好，不怕干擾。慣性導航系統所提供的導航數據又十分完整，它除能提供載體的位置和速度外，還能給出航向和姿態(tài)角，而且又具有數據更新率高，短期精度和穩定性好的優(yōu)點(diǎn)。然而慣性導航系統并非十全十美，從初始對準開(kāi)始，其導航誤差就隨時(shí)間而增長(cháng)，尤其是位置誤差，這是慣導系統的主要缺點(diǎn)。所以需要利用外部信息進(jìn)行輔助，實(shí)現組合導航，使其有效地減小誤差隨時(shí)間積累的問(wèn)題。里程計(Odometer，OD)是測量車(chē)輛行使速度和路程的裝置，高分辨率的里程計可以精確測量車(chē)輛行駛的速度和路程，可以從捷聯(lián)慣導中獲得姿態(tài)和航向信息，進(jìn)行定位解算，而且隨時(shí)間累積的定位誤差較小，可作為SINS的參考信息。所以建立以SINS為主，里程計為輔加以卡爾曼濾波的水下組合導航系統，該組合模式工作能有效利用各自的優(yōu)點(diǎn)，在低成本的情況下實(shí)現高精度的慣導組合系統。

l SINS／OD水下組合導航系統模型的建立
1．1 里程計的誤差分析
設采礦車(chē)的行使速度為vD，它指向載車(chē)的正前方，寫(xiě)成矢量形式為：

其中：vbE，vbN和vbU分別為vD在東北天方向的分量。因此采礦車(chē)的速度在n系的表達形式為：

其中：Cnb為捷聯(lián)姿態(tài)矩陣。
先來(lái)分析定位誤差：
里程儀的位置方程：

其中：地球表面上的任一點(diǎn)處沿子午圈的主曲率半徑為：RM△Re(1―2e+3esin2L)；地球表面上的任一點(diǎn)處沿卯酉圈的主曲率半徑為：RN△Re(1+esin2L)；L為地理緯度；λ為地理經(jīng)度；h為高度。設里程儀的位置更新周期為T(mén)j=tj-tj-1，并假設里程儀速度vD和捷聯(lián)姿態(tài)矩陣Cnb在[tj-1，tj]內可采樣N次(即vnD可采樣N次)，則：

那么，由里程儀位置微分方程可直接寫(xiě)出位置誤差方程：

其中：δLD為緯度誤差；δλD為經(jīng)度誤差；δhD為高度誤差。
接著(zhù)分析里程計的速度誤差：