RU2849357C2 - Method for integrating ins and gnss data to solve object navigation problems - Google Patents
Method for integrating ins and gnss data to solve object navigation problemsInfo
- Publication number
- RU2849357C2 RU2849357C2 RU2024109210A RU2024109210A RU2849357C2 RU 2849357 C2 RU2849357 C2 RU 2849357C2 RU 2024109210 A RU2024109210 A RU 2024109210A RU 2024109210 A RU2024109210 A RU 2024109210A RU 2849357 C2 RU2849357 C2 RU 2849357C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- navigation
- data
- gnss
- ins
- accelerometers
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области реализации навигационных систем, а именно к способам комплексирования и коррекции навигационной информации, полученной от спутниковых навигационных систем и инерциальных датчиков в составе движущегося объекта.The invention relates to the field of implementing navigation systems, namely to methods for integrating and correcting navigation information obtained from satellite navigation systems and inertial sensors as part of a moving object.
Из уровня техники известен способ оптимального оценивания ошибок инерциальной навигационной системы и её коррекции по неподвижному наземному ориентиру с известными географическими координатами (патент РФ на изобретение 2713582, опубликован 05.02.2020), включающий угловое сопровождение неподвижного наземного ориентира коррекции (ОК) и дискретное измерение наклонной дальности до него в щадящем для лазерного дальномера из состава обзорно-прицельной системы режиме его работы с частотой излучающих посылок 0,5-1,0 Гц и основан на совместной обработке измеряемых при этом текущих углов визирования ОК и наклонной дальности до него, текущих углов истинного и гироскопического курсов, крена и тангажа объекта и счисленных инерциальной навигационной системой (ИНС) географических координат его местоположения и текущей бароинерциальной высоты. При этом в режиме непрерывного углового сопровождения ОК одно-двухсекундные временные интервалы между соседними измерениями дальности до ОК заполняют ее десятигерцовыми расчетными значениями, которые формируют в соответствии с модифицированной, инвариантной к рельефу подстилающей поверхности угломестной процедурой определения наклонной дальности, предполагающей использование текущих бароинерциальной высоты объекта, косинуса угла между географической вертикалью и направлением на ОК, и сформированного по измерениям ОПС опорного значения высоты ОК над уровнем моря, при этом оценивание составляющих абсолютной линейной скорости объекта осуществляют в соответствии с кинематической моделью его движения относительно неподвижного наземного ОК в проекциях на оси инерциальной системы координат. При этом реализуются две параллельно работающие процедуры оптимального оценивания - основная и вспомогательная, первая из которых обеспечивает оценивание расширенного вектора параметров состояния ИНС и последующую коррекцию ее навигационных и пилотажных параметров, а вторая - формирование адекватных позиционных и скоростных сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), используемых в основной процедуре оптимального оценивания в качестве сигналов идеального измерителя.A known prior art method for optimally estimating errors in an inertial navigation system and correcting it using a fixed ground reference with known geographic coordinates (RU Patent for Invention 2713582, published 05.02.2020) includes angular tracking of a fixed ground reference correction (GRC) and discrete measurement of the slant range to it in a gentle operating mode for the laser rangefinder included in the surveillance and targeting system with a frequency of emitting pulses of 0.5-1.0 Hz and is based on the combined processing of the measured current sighting angles of the GRC and the slant range to it, the current angles of the true and gyroscopic courses, roll and pitch of the object and the geographic coordinates of its location and the current baro-inertial altitude calculated by the inertial navigation system (INS). In this case, in the mode of continuous angular tracking of the object, one- to two-second time intervals between adjacent measurements of the range to the object are filled with ten-hertz calculated values, which are formed in accordance with a modified elevation procedure for determining the slant range, invariant to the relief of the underlying surface, which assumes the use of the current baroinertial altitude of the object, the cosine of the angle between the geographic vertical and the direction to the object, and the reference value of the altitude of the object above sea level formed from the measurements of the OPS, while the components of the absolute linear velocity of the object are estimated in accordance with the kinematic model of its movement relative to a stationary ground object in projections onto the axes of the inertial coordinate system. In this case, two parallel optimal assessment procedures are implemented - the main and auxiliary ones, the first of which ensures the assessment of the extended vector of INS state parameters and the subsequent correction of its navigation and piloting parameters, and the second one - the formation of adequate positional and speed signals of satellite navigation systems (SNS), used in the main optimal assessment procedure as signals of an ideal measuring instrument.
К главным недостаткам указанного способа можно отнести:The main disadvantages of this method include:
- невозможность улучшения точности определения местоположения объекта в отсутствии наземных ориентиров, так как для коррекции ошибок «дрейфа» датчиков в составе ИНС от навигационной системы необходимо иметь географическую привязку к окружающей среде;- the impossibility of improving the accuracy of determining the location of an object in the absence of ground reference points, since in order to correct the “drift” errors of sensors in the INS from the navigation system, it is necessary to have a geographic reference to the environment;
- необходимость ведения базы данных неподвижных наземных ориентиров с указанием их географических координат;- the need to maintain a database of fixed ground landmarks indicating their geographic coordinates;
- необходимость определения дальности до ОК посредством сторонних измерителей (лазерный дальномер).- the need to determine the distance to the object using third-party measuring devices (laser rangefinder).
Так же известен способ определения инструментальных погрешностей измерителей инерциальной навигационной системы на этапе начальной выставки (патент РФ на изобретение 2300081, опубликован 27.05.2007) включающий измерение выходных сигналов гироскопов, акселерометров и датчиков углов пространственного положения курсовертикали относительно объекта, формирование сигналов, пропорциональных позиционной и интегральной составляющим горизонтальных компонент кажущегося ускорения и гироскопического курса для построения контура калибровки, отличающийся тем, что инерциальную курсовертикаль с жестко закрепленными на ней гироскопическими измерителями угловой скорости и акселерометрами принудительно вращают относительно трех строительных осей объекта без использования гироскопической стабилизации, затем рассчитывают значения идеальных выходных сигналов гироскопов и акселерометров и сравнивают с выходными сигналами гироскопов и акселерометров, снятыми с измерителей в процессе начальной подготовки инерциальной навигационной системы, и определяют для гироскопов: дрейф гироскопов, ошибки масштабных коэффициентов, ошибки асимметрии масштабных коэффициентов и перекосы осей чувствительности гироскопов; для акселерометров: погрешности акселерометров, ошибки масштабных коэффициентов, ошибки асимметрии масштабных коэффициентов, ошибки отклонения центра масс акселерометров от начала координат связанной с блоком чувствительных элементов системы координат, перекосы осей чувствительности акселерометров.Also known is a method for determining the instrumental errors of the inertial navigation system's measuring instruments at the initial alignment stage (RU patent for invention 2300081, published 05/27/2007) including measuring the output signals of gyroscopes, accelerometers and sensors of the attitude and heading angles relative to the object, generating signals proportional to the positional and integral components of the horizontal components of the apparent acceleration and gyroscopic heading for constructing a calibration circuit, characterized in that the inertial attitude and heading system with gyroscopic angular velocity measuring instruments and accelerometers rigidly fixed to it is forcibly rotated relative to the three structural axes of the object without using gyroscopic stabilization, then the values of the ideal output signals of the gyroscopes and accelerometers are calculated and compared with the output signals of the gyroscopes and accelerometers taken from the measuring instruments during the initial preparation of the inertial navigation system, and the following is determined for the gyroscopes: drift gyroscopes, scale factor errors, scale factor asymmetry errors, and gyroscopic sensitivity axis misalignments; for accelerometers: accelerometer errors, scale factor errors, scale factor asymmetry errors, errors in the deviation of the accelerometer's center of mass from the coordinate origin of the coordinate system associated with the sensor block, and gyroscopic sensitivity axis misalignments.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности применения используемых для определения ошибок датчиков ИНС математических моделей в процессе работы технических средств, в следствии чего снижается точность определения навигационного положения в следствии накопления погрешностей измерения указанных датчиков.The disadvantage of this method is the inability to use the mathematical models used to determine the errors of the INS sensors during the operation of the technical equipment, as a result of which the accuracy of determining the navigation position decreases due to the accumulation of measurement errors of the said sensors.
Кроме этого, недостатком данного способа является необходимость установки дополнительного специального оборудования (элементы поворотных платформ, двигатели и т.п.) что приводит к снижению эксплуатационной надежности, сложности в обслуживании и повышению стоимости изделия.In addition, a disadvantage of this method is the need to install additional specialized equipment (rotary platform elements, motors, etc.), which leads to a decrease in operational reliability, difficulty in maintenance, and an increase in the cost of the product.
Известен способ оценивания ошибок инерциальной информации и ее коррекции по измерениям СНС (патент РФ на изобретение № 2617565, опубликован 25.04.2017). Способ заключается в том, что используют традиционную процедуру оптимальной фильтрации и идентификации Калмана, для чего сигналы измерения оптимального фильтра-идентификатора формируют посредством сравнения одноименных географических координат местоположения и горизонтальных составляющих абсолютной линейной скорости в проекциях на оси опорного трехгранника гироплатформы (ГП) ИНС, сформированных по измерениям спутниковой навигационной системы (СНС), а его структуру синтезируют в соответствии с традиционной для ИНС моделью ошибок, при этом характер полета методически организуют таким образом, что после 270 секунд прямолинейного горизонтального полета, на котором реализуют точное «горизонтирование» гироплатформы и оценивают хорошо наблюдаемые параметры горизонтальных каналов ИНС, осуществляют маневр, типа «змейки», координированного или боевого разворотов, после чего активную фазу процедуры оптимальной фильтрации и идентификации приостанавливают и фильтр-идентификатор переводят в режим долгосрочного - до следующего сеанса коррекции, прогноза, для реализации которого сигналы измерения обнуляют, а значения оценок на момент завершения активной фазы процедуры оценивания используют в качестве начальных условий в процедуре прогноза, при этом сам прогноз осуществляют в соответствии с дискретными уравнениями расчета априорных оценок ошибок ИНС, а коррекцию выходных параметров ИНС - географических координат местоположения и составляющих абсолютной линейной скорости, реализуют в разомкнутой схеме ИНС, для чего используют текущие прогнозируемые значения оценок параметров состояния ИНС. При этом модель ошибок ИНС расширяют за счет включения в нее математического описания координат ее местоположения относительно антенного блока (АБ) СНС и представляют их в виде системы трех взаимосвязанных дифференциальных уравнений первого порядка в проекциях на оси опорного трехгранника ГП ИНС, которые одновременно описывают аддитивно входящие в скоростные сигналы измерения кинематические составляющие относительной скорости движения ИНС, а при формировании сигналов измерения и матрицы наблюдения используют кинематические соотношения, связывающие ошибки Δφ, Δλ, Δχ счисления географических координат местоположения и угла азимутальной ориентации опорного трехгранника ГП ИНС с погрешностями выдерживания вертикали αx, αy и углом αz азимутального ухода ГП ИНС с точностью до величин второго порядка малости относительно таких параметров, как Δφ, Δλ, αх, αy, αz, обеспечивают определение текущих значений элементов матриц сообщения и наблюдения.A method for estimating errors in inertial information and its correction based on SNS measurements is known (Russian Federation patent for invention No. 2617565, published on April 25, 2017). The method consists in using the traditional procedure of optimal filtering and Kalman identification, for which the measurement signals of the optimal filter-identifier are formed by comparing the same geographic coordinates of the location and the horizontal components of the absolute linear velocity in projections on the axes of the reference trihedron of the gyroplatform (GP) of the INS, formed from the measurements of the satellite navigation system (SNS), and its structure is synthesized in accordance with the traditional INS error model, while the nature of the flight is methodically organized in such a way that after 270 seconds of straight and horizontal flight, during which precise "horizontalization" of the gyroplatform is implemented and the well-observed parameters of the horizontal channels of the INS are estimated, a maneuver such as a "snake", coordinated or combat turn is carried out, after which the active phase of the optimal filtering and identification procedure is suspended and the filter-identifier is transferred to the long-term mode - until the next correction session, forecast, for the implementation of which the measurement signals are reset to zero, and the values of the estimates at the time of completion of the active phase of the evaluation procedure are used as initial conditions in the forecast procedure, while the forecast itself is carried out in accordance with discrete equations for calculating a priori estimates of ANN errors, and the correction of the ANN output parameters - the geographic coordinates of the location and the components of the absolute linear velocity - is implemented in an open ANN circuit, for which the current predicted values of the estimates of the ANN state parameters are used. In this case, the INS error model is expanded by including a mathematical description of the coordinates of its location relative to the antenna unit (AU) of the SNS and presenting them in the form of a system of three interconnected first-order differential equations in projections onto the axes of the reference trihedron of the INS GP, which simultaneously describe the kinematic components of the relative speed of the INS movement that are additively included in the speed measurement signals, and when generating the measurement signals and the observation matrix, kinematic relationships are used that relate the errors Δφ, Δλ, Δχ of the dead reckoning of the geographic coordinates of the location and the angle of azimuthal orientation of the reference trihedron of the INS GP with the errors of maintaining the vertical αx, αy and the angle αz of the azimuthal drift of the INS GP with an accuracy of up to second-order smallness values relative to such parameters as Δφ, Δλ, αх, αy, αz, ensuring the determination of the current values of the elements of the message and observation matrices.
В известном патенте речь идет о гироплатформе (ГП), которая имеет ряд недостатков по сравнению с бесплатформенными инерциальными навигационными системами (БИНС): дороговизна, сложность в обслуживании, невозможность применения предложенных маневров к наземным транспортным средствам. Кроме этого, недостатком является избыточность системы за счет использования двух ИНС.The well-known patent discusses a gyroplatform (GP), which has several disadvantages compared to strapdown inertial navigation systems (SINS): high cost, difficulty in maintenance, and the inability to apply the proposed maneuvers to ground vehicles. Furthermore, the system's redundancy due to the use of two INSs is a drawback.
Также известна интегрированная инерциально-спутниковая навигационная система (патент РФ на изобретение № 2277696, опубликован 10.06.2006). Система содержит радиоприемник, соединенный через усилитель с антенной, выходами подключенный к вычислителю местоположения навигационных спутников, а входами к блоку начальной установки альманаха данных об орбитах спутников, выходы этого вычислителя соединены с входами блока выделения радиовидимых спутников, выходы которого подключены к первой группе входов блока выделения рабочего созвездия спутников, соединенного выходами с входами блока вычисления местоположения пользователя, а также измеритель проекций абсолютной угловой скорости и измеритель проекций вектора кажущегося ускорения, своими выходами соответственно через корректор угловой скорости и корректор кажущегося ускорения подключенные к первой группе входов вычислителя навигационных параметров, выходы которого соединены с первой группой выходов системы. В систему также входит вычислитель начальных данных, тремя группами входов подключенный соответственно к выходам измерителя проекций абсолютной угловой скорости и измерителя проекций вектора кажущегося ускорения, выходам блока комплексирования информации, а также выходам блока вычисления местоположения пользователя, при этом вычислитель начальных данных частью выходов подключен к входам вычислителя навигационных параметров, а всеми выходами к первой группе входов блока комплексирования информации, вторая группа входов которого связана с выходами корректора угловой скорости и корректора кажущегося ускорения, а третья группа входов подключена к выходам блока вычисления местоположения пользователя. Одна группа выходов блока комплексирования информации подключена ко второй группе входов блока выбора рабочего созвездия спутников, другая группа выходов непосредственно соединена с второй группой выходов системы, третья группа выходов подключена к входам корректора кажущегося ускорения, а четвертая группа выходов соединена с входами корректора угловой скорости и второй группой входов вычислителя начальных данных. Also known is an integrated inertial-satellite navigation system (RU Patent for Invention No. 2277696, published on 10.06.2006). The system comprises a radio receiver connected via an amplifier to an antenna, the outputs of which are connected to a navigation satellite positioning computer, and the inputs to a satellite orbit data almanac initial setup unit, the outputs of which are connected to the inputs of a radio-visible satellite selection unit, the outputs of which are connected to the first group of inputs of a working satellite constellation selection unit, the outputs of which are connected to the inputs of a user positioning unit, as well as an absolute angular velocity projection meter and an apparent acceleration vector projection meter, their outputs respectively connected via an angular velocity corrector and an apparent acceleration corrector to the first group of inputs of the navigation parameter computer, the outputs of which are connected to the first group of outputs of the system. The system also includes an initial data computer, connected by three groups of inputs respectively to the outputs of the absolute angular velocity projection meter and the apparent acceleration vector projection meter, the outputs of the data integration unit, and the outputs of the user location calculation unit. Some of the outputs of the initial data computer are connected to the inputs of the navigation parameter computer, and all of the outputs are connected to the first group of inputs of the data integration unit, the second group of inputs of which is connected to the outputs of the angular velocity corrector and the apparent acceleration corrector, and the third group of inputs is connected to the outputs of the user location calculation unit. One group of outputs of the data integration unit is connected to the second group of inputs of the working satellite constellation selection unit, another group of outputs is directly connected to the second group of system outputs, the third group of outputs is connected to the inputs of the apparent acceleration corrector, and the fourth group of outputs is connected to the inputs of the angular velocity corrector and the second group of inputs of the initial data computer.
В данном патенте рассматриваются два блока гироскопов, что является избыточным. Также данная система направлена на преодоление отказоустойчивости, а не на точность навигации.This patent considers two gyroscope units, which is redundant. Furthermore, this system is aimed at overcoming fault tolerance rather than navigation accuracy.
Целью задачи навигации является определение географических координат (широты, долготы, высоты) объекта управления, вектора скорости и углов ориентации (курс, крен, тангаж) объекта. Задача решается при помощи комплексирования данных ИНС (инерциальной навигационной системы) и данных ГНСС (глобальных навигационных спутниковых систем). При этом ГНСС формирует только координаты и скорости движения объекта (использование многоантенных спутниковых приемников не рассматривается), а ИНС ускорения и угловые скорости. The goal of the navigation task is to determine the geographic coordinates (latitude, longitude, altitude) of the controlled object, the velocity vector, and the attitude angles (heading, roll, pitch) of the object. This task is accomplished by integrating data from the INS (inertial navigation system) and GNSS (global navigation satellite systems). The GNSS generates only the coordinates and velocity of the object (the use of multi-antenna satellite receivers is not considered), while the INS generates acceleration and angular velocity.
На практике каждый из датчиков имеет погрешности, которые необходимо оценить в результате комплексирования. Кроме этого, в силу пропадания спутниковых сигналов существующие решения быстро деградируют в точности, что недопустимо при работе сельскохозяйственных роботов. In practice, each sensor has errors that must be assessed during integration. Furthermore, due to loss of satellite signals, existing solutions quickly degrade in accuracy, which is unacceptable for agricultural robots.
Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в повышении точности определения навигационных данных движущегося объекта, за счёт обеспечения возможности комплексирования данных ИНС и ГНСС с компенсацией погрешностей измерения датчиков в составе ИНС, возможность автономного движения при пропадании спутникового сигнала, отсутствие необходимости применения многоантенных спутниковых приемников, повышение стабильности навигационного решения за счет термостатирования инерциальных датчиков. The technical result achieved by implementing this invention consists in increasing the accuracy of determining navigation data of a moving object, due to the possibility of integrating INS and GNSS data with compensation for the measurement errors of the sensors within the INS, the possibility of autonomous movement when the satellite signal is lost, the absence of the need to use multi-antenna satellite receivers, and an increase in the stability of the navigation solution due to the thermostatting of inertial sensors.
Указанный технический результат достигается способом комплексирования данных ИНС и ГНСС для решения задачи навигации объекта, включающим получение выходной информации от трех акселерометров и трех датчиков угловой скорости (ДУС), установленных на объекте в осях, предполагаемых ортогональными и образующих относительно объекта два совпадающих трехгранника, полученные данные усредняются и проводится начальная выставка углов крена и тангажа, затем проводится начальная выставка курса на основании данных полученных от ГНСС о путевом угле, далее осуществляется формирование вектора состояния путем интеграции данных полученных от акселерометров и ДУС при помощи кинематических уравнений Пуассона, после чего для компенсации погрешностей в составе акселерометров и ДУС, на основе данных полученных от ГНСС формируется матрица ковариации в соответствии со следующей моделью измерения:The specified technical result is achieved by a method of integrating INS and GNSS data to solve the problem of object navigation, including obtaining output information from three accelerometers and three angular rate sensors (ARS) installed on the object in axes assumed to be orthogonal and forming two coinciding trihedrons relative to the object, the obtained data are averaged and an initial pitch and roll angle setting is performed, then an initial heading setting is performed based on the data received from the GNSS on the course angle, then a state vector is formed by integrating the data received from the accelerometers and ARS using Poisson's kinematic equations, after which, to compensate for errors in the composition of the accelerometers and ARS, a covariance matrix is formed based on the data received from the GNSS in accordance with the following measurement model:
далее проводятся процедуры оптимальной фильтрации Кальмана, при этом вектор состояния обновляется в соответствии со следующими формулами:Next, optimal Kalman filtering procedures are carried out, with the state vector updated in accordance with the following formulas:
Технические решения, применяемые в составе данного изобретения, позволяют произвести комплексирование данных ИНС и ГНСС с учетом погрешностей возникающих в составе датчиков ИНС, для решения задач навигации объекта.The technical solutions used in this invention allow for the integration of INS and GNSS data, taking into account errors arising in the INS sensors, to solve object navigation problems.
Используемые инерциальные датчики состоят из трех акселерометров, расположенных в осях, предполагаемых ортогональными, и трех ДУС, также расположенных в осях, предполагаемых ортогональными. Предполагается, что эти два трехгранника совпадают. Датчики ИНС жестко установлены на объекте управления. Координаты приведенного центра ИНС и углы установки считаются известными в строительных осях объекта. Антенна ГНСС установлена на крыше объекта с известными координатами в строительных осях объекта.The inertial sensors used consist of three accelerometers, positioned in orthogonal axes, and three RUSs, also positioned in orthogonal axes. These two trihedrons are assumed to coincide. The INS sensors are rigidly mounted on the control object. The coordinates of the INS's reduced center and installation angles are assumed to be known in the object's structural axes. The GNSS antenna is mounted on the roof of the object, with known coordinates in the object's structural axes.
Температурная калибровка датчиков не проводится. Инерциальные датчики нагреваются до постоянной температуры 80°С, которая благодаря системе термостатирования поддерживается с высокой точностью 0.01°С, чтобы не допустить температурных ошибок. Термостатирование реализуется путем обкладки инерциального датчика резисторами, а ее контроль осуществляется по информации встроенного температурного датчика, на основе ПИД регулятора. Температура нагрева подобрана такой выше которой датчики не могут нагреться под воздействием внешних факторов. На фиг блок термостатирования отдельно не показан.Temperature calibration of the sensors is not performed. The inertial sensors are heated to a constant temperature of 80°C, which is maintained with a high accuracy of 0.01°C by a thermostatting system to prevent temperature errors. Thermostatting is achieved by surrounding the inertial sensor with resistors, and it is controlled by an integrated temperature sensor using a PID controller. The heating temperature is selected so that the sensors cannot exceed this temperature due to external factors. The thermostatting unit is not shown separately in the figure.
Предполагается, что показания акселерометра содержат погрешности в виде кажущегося ускорения, неизвестного смещение нуля, постоянного от запуска к запуску, и случайного шум, предполагаемого белым, с известной интенсивностью.The accelerometer readings are assumed to contain errors in the form of apparent acceleration, an unknown zero offset that is constant from run to run, and random noise, assumed to be white, of known intensity.
Показания ДУС подчиняются такой же модели погрешностей, что и акселерометра. Отметим, что мы будем использовать исторически обоснованное название для смещения нуля показания ДУС - дрейф.The VRS readings are subject to the same error model as the accelerometer. Note that we will use the historically justified term for the VRS reading's zero offset—drift.
В основе осуществления способа лежит линейный дискретный фильтр Калмана (ФК) в обратных связях в реальном времени. Основу ФК составляет вектор состояния x и матрица ковариаций P. В вектор состояния входят ошибки определения координат и скорости, угловые ошибки, а также текущие оценки дрейфов ДУС и смещений нулей акселерометров. Матрица ковариации - эта матрица, состоящая из попарных ковариаций ошибки всех компонент вектора состояния.The method is based on a linear discrete Kalman filter (DKF) in real-time feedback loops. The DKF is based on a state vector x and a covariance matrix P. The state vector includes coordinate and velocity errors, angular errors, and current estimates of the VSS drifts and accelerometer biases. The covariance matrix is a matrix consisting of pairwise error covariances of all components of the state vector.
ФК состоит из трех этапов: инициализация, коррекция, прогноз. На каждом такте алгоритма мы имеем текущую оценку вектора состояния и текущую оценку матрицы ковариации.The functional comprehension (FC) consists of three stages: initialization, correction, and prediction. At each step of the algorithm, we have a current estimate of the state vector and a current estimate of the covariance matrix.
Данные от ИНС и ГНСС поступают на блок управления - вычислитель, осуществляющий обработку и комплексирование данных в соответствии с алгоритмом описанным ниже.Data from the INS and GNSS are sent to the control unit - a computer that processes and integrates the data in accordance with the algorithm described below.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена блок-схема алгоритма комплексирования данных ИНС и ГНСС. The technical essence of the invention is explained by the drawings. Fig. 1 shows a block diagram of the algorithm for integrating INS and GNSS data.
Алгоритм комплексирования данных ИНС и ГНСС содержит:The algorithm for integrating INS and GNSS data contains:
1. 1. Начальная выставка крена и тангажа;1. 1. Initial pitch and roll display;
2. 2. Начальная выставка курса; 2. 2. Initial exhibition of the course;
3. 3. Алгоритм автономного счисления;3. 3. Autonomous calculation algorithm;
4. 4. Проверка наличия ГНСС данных;4. 4. Checking the availability of GNSS data;
5. 5. Коррекция по решению ГНСС;5. 5. Correction according to GNSS decision;
6. 6. Учет обратных связей;6. 6. Taking into account feedback;
7. 7. Прогноз ковариации.7. 7. Covariance prediction.
В предпочтительном варианте исполнения изобретение осуществляется следующим образом.In a preferred embodiment, the invention is carried out as follows.
На первом этапе данные от датчиков ИНС поступают на вход блока управления, где они усредняются и осуществляется начальная выставка углов крена и тангажа (1). Далее в процессе движения объекта на вход блока управления поступают данные от системы ГНСС, в соответствии с которыми осуществляется начальная выставка курса (2) и общий алгоритм обработки данных переходит к алгоритму автономного счисления (3), на вход алгоритму автономного счисления (3) подаются очередные показания датчиков ИНС и навигационное решение на предыдущей итерации, на выходе имеем навигационное решение на текущем шаге. Один такт автономного счисления представляет собой численное интегрирование показаний акселерометров и ДУС, где в качестве начальных условий принимается навигационное решение на предыдущей итерации. Интегрирование показаний акселерометров проводится методом Эйлера. Под интегрирования показаний ДУС понимается численное интегрирование кинематических уравнений Пуассона. После чего осуществляется проверка наличия данных ГНСС (4), в случае отсутствия данных полученное навигационное решение является истинным и алгоритм переходит к новому такту автономного счисления, в случае наличия данных ГНСС осуществляется переход к процедуре коррекции по решению ГНСС (5). Под решением ГНСС понимаются географические координаты, скорость и путевой угол, полученные в результате работы алгоритма спутниковой навигации. На этапе коррекции по решению ГНСС (5) меняются текущие оценки вектора состояния и матрицы ковариации в соответствии с моделью измерения (в нашем случае измерение - решение ГНСС) для обеспечения возможности проведения коррекции погрешностей в составе датчиков ГНСС:At the first stage, data from the INS sensors is fed to the control unit, where it is averaged and the initial pitch and roll angles are set (1). Subsequently, as the object moves, data from the GNSS system is fed to the control unit, which sets the initial heading (2). The general data processing algorithm then switches to the autonomous dead reckoning algorithm (3). The input to the autonomous dead reckoning algorithm (3) is the next INS sensor readings and the navigation solution from the previous iteration, and the output is the navigation solution for the current step. One cycle of the autonomous dead reckoning is the numerical integration of the accelerometer and RUS readings, where the initial conditions are the navigation solution from the previous iteration. The integration of the accelerometer readings is performed using the Euler method. The integration of the RUS readings is understood as the numerical integration of Poisson's kinematic equations. Following this, the availability of GNSS data is checked (4). If no data is available, the obtained navigation solution is considered valid, and the algorithm proceeds to a new autonomous dead reckoning cycle. If GNSS data is available, the algorithm proceeds to the GNSS decision correction procedure (5). The GNSS decision refers to the geographic coordinates, speed, and course angle obtained by the satellite navigation algorithm. During the GNSS decision correction stage (5), the current estimates of the state vector and covariance matrix are modified in accordance with the measurement model (in our case, the measurement is the GNSS decision) to ensure the ability to correct for errors in the GNSS sensor array:
где:Where:
- матрица коэффициентов усиления; - gain matrix;
- вектор измерения в момент времени ; - vector of measurement at a moment in time ;
- оценка вектора состояния в момент времени , использующая измерения (априорная оценка); - estimate of the state vector at a given moment in time , using measurements (a priori estimate);
- оценка вектора состояния в момент времени , использующая измерения (апостериорная оценка); - estimate of the state vector at a given moment in time , using measurements (a posteriori estimate);
- оценка ковариационной матрицы ошибки оценки в момент времени с учетом измерений ; - estimate of the covariance matrix of the estimate error at a point in time taking into account measurements ;
- оценка ковариационной матрицы ошибки оценки в момент времени с учетом измерений ; - estimate of the covariance matrix of the estimate error at a point in time taking into account measurements ;
Матрица связывает компоненты вектора состояния с измерением , в соответствии с моделью измерения;Matrix associates the components of the state vector with the measurement , in accordance with the measurement model;
- матрица ковариации шума измерения. - measurement noise covariance matrix.
После выполнения коррекции по решению ГНСС (5) алгоритм переходит к этапу учета обратных связей (6) на этом этапе компоненты текущего вектора состояния (напомним, что вектор состояния содержит погрешности) вычитаются из соответствующих компонент навигационного решения, а текущие оценки дрейфов ДУС и смещений нулей акселерометров добавляются к соответствующим интегральным оценкам. Вектор состояния обнуляется. На этапе прогноза ковариации (7) проводятся процедуры оптимальной фильтрации Кальмана в основе которого лежат уравнения ошибок ИНС. Вектор состояния и матрица ковариации обновляются в соответствии с формулами:After performing the correction based on the GNSS solution (5), the algorithm proceeds to the feedback accounting stage (6). At this stage, the components of the current state vector (recall that the state vector contains errors) are subtracted from the corresponding components of the navigation solution, and the current estimates of the VSS drifts and accelerometer biases are added to the corresponding integral estimates. The state vector is reset to zero. At the covariance prediction stage (7), optimal Kalman filtering procedures are performed, based on the INS error equations. The state vector and covariance matrix are updated according to the formulas:
, ,
где:Where:
- матрица ковариации шума динамической системы (в нашем случае шума инерциальных датчиков). - the covariance matrix of the noise of the dynamic system (in our case, the noise of the inertial sensors).
В предложенном способе есть термостатирование блока ИНС, т.е. поддержание инерциальных датчиков при определенной температуре. Что позволяет не проводить температурную калибровку инерциальных датчиков.The proposed method involves thermostatting the INS unit, maintaining the inertial sensors at a specific temperature. This eliminates the need for temperature calibration of the inertial sensors.
Блок инерциальных датчиков стоит внутри блока навигации, вместе с антенной ГНСС.The inertial sensor unit is located inside the navigation unit, together with the GNSS antenna.
В предложенном способе используются свойства кинематики ТС - коррекция по нулевым компонентам вектора скорости той точки ТС, которая определяется кинематической моделью ТС.The proposed method uses the properties of vehicle kinematics - correction by zero components of the velocity vector of that point of the vehicle, which is determined by the kinematic model of the vehicle.
Таким образом описанный способ применяется для задачи навигации объекта, при которой для повышения точности навигации используется комплексирование данных, полученных от инерциальных датчиков, установленных на объекте и системы ГНСС. Повышение точности также достигается за счет применения матрицы ковариации для решения задач компенсации погрешностей измерений указанных инерциальных датчиков.Thus, the described method is applied to the task of object navigation, in which the integration of data obtained from inertial sensors installed on the object and the GNSS system is used to improve navigation accuracy. Improved accuracy is also achieved through the use of a covariance matrix to compensate for measurement errors in these inertial sensors.
Claims (4)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024109210A RU2024109210A (en) | 2025-10-06 |
| RU2849357C2 true RU2849357C2 (en) | 2025-10-23 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2277696C2 (en) * | 2004-04-21 | 2006-06-10 | Закрытое акционерное общество "Лазекс" | Integrated satellite inertial-navigational system |
| RU2551710C1 (en) * | 2014-02-04 | 2015-05-27 | Открытое акционерное общество "Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Aircraft orientation backup system and method of setting of aircraft position in space |
| RU2646957C1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-03-12 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Complex method of aircraft navigation |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2277696C2 (en) * | 2004-04-21 | 2006-06-10 | Закрытое акционерное общество "Лазекс" | Integrated satellite inertial-navigational system |
| RU2551710C1 (en) * | 2014-02-04 | 2015-05-27 | Открытое акционерное общество "Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") | Aircraft orientation backup system and method of setting of aircraft position in space |
| RU2646957C1 (en) * | 2016-11-03 | 2018-03-12 | Открытое акционерное общество Московский научно-производственный комплекс "Авионика" имени О.В. Успенского (ОАО МНПК "Авионика") | Complex method of aircraft navigation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108226980B (en) | Differential GNSS and INS self-adaptive tightly-coupled navigation method based on inertial measurement unit | |
| US11105633B2 (en) | Navigation system utilizing yaw rate constraint during inertial dead reckoning | |
| US8204677B2 (en) | Tracking method | |
| US8756001B2 (en) | Method and apparatus for improved navigation of a moving platform | |
| US9791575B2 (en) | GNSS and inertial navigation system utilizing relative yaw as an observable for an ins filter | |
| US10234292B2 (en) | Positioning apparatus and global navigation satellite system, method of detecting satellite signals | |
| CN110779521A (en) | Multi-source fusion high-precision positioning method and device | |
| CN111156994A (en) | INS/DR & GNSS loose integrated navigation method based on MEMS inertial component | |
| RU2395061C1 (en) | Method to determine position of movable objects and integrated navigation system to this end | |
| CN102257358B (en) | Method for determining orientation to true north using an inertial measurement unit | |
| CN113203418A (en) | GNSSINS visual fusion positioning method and system based on sequential Kalman filtering | |
| JP2000506604A (en) | Improved vehicle navigation system and method | |
| CN108225312B (en) | Lever arm estimation and compensation method in GNSS/INS loose combination | |
| JP2000502803A (en) | Zero motion detection system for improved vehicle navigation system | |
| JPH09505896A (en) | Navigation device with attitude determination | |
| JP2000502802A (en) | Improved vehicle navigation system and method utilizing GPS speed | |
| Li et al. | A high-precision vehicle navigation system based on tightly coupled PPP-RTK/INS/odometer integration | |
| CN102116634A (en) | Autonomous dimensionality reduction navigation method for deep sky object (DSO) landing detector | |
| Zhang et al. | Integration of INS and un-differenced GPS measurements for precise position and attitude determination | |
| JP2000502801A (en) | Improved vehicle navigation system and method using multi-axis accelerometer | |
| RU2277696C2 (en) | Integrated satellite inertial-navigational system | |
| Erfianti et al. | GNSS/IMU sensor fusion performance comparison of a car localization in urban environment using extended Kalman filter | |
| Gao et al. | Odometer and MEMS IMU enhancing PPP under weak satellite observability environments | |
| RU2849357C2 (en) | Method for integrating ins and gnss data to solve object navigation problems | |
| Gong et al. | Airborne earth observation positioning and orientation by SINS/GPS integration using CD RTS smoothing |