专利名称：一种基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法
技术领域：
本发明涉及一种基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法，可以在“体系 对抗”条件下无GPS时修正机群内各节点的惯性导航位置误差，属于导航定位技术领域。
背景技术：
随着信息技术，特别是无线通信技术和计算机技术的发展，战争形式由武器与武 器等“平台”之间的对抗转变为“体系”与“体系”的对抗。在这种条件下，现代较大规模 的空战通常是由预警机、歼击机、电子战飞机、空中加油机等多机种进行的机群作战，小规 模空战也是编队中各飞机的协同行动，所以，在体系对抗条件下，作战飞机为了有效保护自 己，有力打击敌人，更好的完成打击、侦查或通信等任务，将会成“群”出动，组成机群网络共 同执行任务，机群组网将成为空中行动的一种基本工作模式。鉴于导航在现代战争中重要的地位，如何提高机群网络各节点导航精度成为一个 非常重要的问题。惯性导航系统能够连续提供多种较高精度的导航参数信息，频带宽，自主 性强，主要缺点是导航定位误差随时间积累，难以长时间独立工作；虽然GPS具有全球性、 高精度实时定位测速能力，但GPS易受干扰，同时面临战时不可用问题。因而，目前通过机 载数据链传输惯性/GPS组合导航系统的数据进行机群组网、协同空战的技术手段存在严 重缺陷。正是在这种背景下，本发明提出了一种新的基于机间测距信息的机群惯性导航数 据融合方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于相互测距信息的 机群惯性导航数据融合方法，该方法利用机载数据链将机间相互测距信息与惯性导航数据 通过数据融合方法有效结合，成功地解决了如何在“体系对抗”条件下，无GPS时提高机群 内各节点导航精度的问题。本发明的技术解决方案为一种基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方 法，其特点在于(1)利用机载数据链系统通报的编队机群内各节点的惯性导航系统提供的位置数 据，建立数据融合时刻的惯性导航多边形；(2)利用机载数据链测量并通报机群内各节点的相互测距信息。利用部分测距信 息先确定各节点的概略坐标，然后通过间接平差法建立数据融合时刻的量测多边形；(3)相对于惯性导航多边形，对量测多边形先进行平移，使其形心与惯性导航多边 形的形心重合，然后再进行旋转，使测距多边形和惯性导航多边形相应顶点的距离差平方 之和为最小；(4)估计惯性导航位置误差。把平移旋转后量测多边形各节点的位置与惯性导航 多边形相应节点的位置求差即可得到惯性导航位置误差的估计值。本发明与现有技术相比的优点在于
(1)本发明利用机载数据链获得的机群各节点之间的相互测距信息和惯性导航数 据，使用几何图形平移旋转的数据融合方法来估计机群各节点的惯性导航定位误差，可以 将机群惯性导航位置精度提高1/2左右。(2)本发明将机载数据链系统和惯性导航系统通过数据融合技术有效结合，成功 地解决了如何在“体系对抗”条件下，无GPS时提高机群网络各节点导航精度的问题，具有 很强鲁棒性；且机群内各节点地位平等，机群内任何一架飞机受损伤，都不影响算法的进 行，而且利用一个时刻的惯性导航数据和相互测距信息就可以估算出惯性导航位置误差， 计算简便易行，不需要长时间的滤波。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明的系统设计图；图3为本发明中的量测多边形各节点概略位置计算示意图；图4为本发明的仿真结果图。
具体实施例方式本发明首先确定采用基于相互测距信息的惯性导航数据融合系统，然后利用相应 的惯性导航数据和相互测距信息确定惯性导航多边形和量测多边形，接下来相对于惯性导 航多边形，对量测多边形进行平移旋转，最后估算出惯性导航位置误差，其基本原理如图1 所示，具体步骤如下1、采用基于相互测距信息的惯性导航数据融合系统，如图2所示，每个网络节点 上都需要配备一套机载数据链、一套惯性导航系统和一套组网计算机。在工作过程中，惯性 导航数据传送给机载数据链，传输的惯性导航数据包括状态字、经度λ、纬度(^、高度1!、东 向速度\、北向速度Vn、天向速度Vh、横滚角Θ、俯仰角Y、航向角Ψ、帧号，机载数据链利 用无线电测距进行机群内各节点两两之间的相互测距，同时利用无线电通信实时通报惯性 导航数据和测距信息，这里测距信息指的是相互测距值υ = \,···,η, Φ])。惯性导航数 据和测距信息传送给组网计算机，进行数据融合计算。组网计算机进行数据融合时，先利用 惯性导航的位置信息确定惯性导航多边形，然后利用相互测距信息确定量测多边形，最后 利用惯性导航多边形和量测多边形估算惯性导航位置误差。2、确定惯性导航多边形和量测多边形(1)用机载数据链系统通报的机群内各节点的惯性导航系统提供的位置信息建立 数据融合时刻的惯性导航多边形，设机群内共有η个节点，那么惯性导航多边形具有η个顶占.(2)利用机载数据链系统相互测量和通报的机群内各节点的测距信息首先先确定 各节点的概略位置坐标，如图3所示；机群内共有η个节点，那么量测多边形中也有η个顶点。机载数据链中共获取两 两之间的P个测距值，P = ^γ^。机载数据链之间以及机载数据链同各惯性导航系统之间 时间同步。定义^，乂…二丨，…，…为惯性导航输出的位置乂巧，片！，…，“，“乃为节点土和j之间的测量距离，{xK}(…1,···, )为节点i的概略坐标。以节点ι的位置{χ/，乂}为起算 点，令{x/,乂傳于{<。,<。}，以节点1的惯性导航输出位置和节点2的惯性导航输出 位置{《，乂}连线的方向为起算方向(设该起算方向与X轴方向的夹角为^如图3所示)， 根据测距值减 1计算可得节点2的概略坐标{x;；^}，公式如下
权利要求
一种基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法，其特征在于步骤如下(1)利用机载数据链相互通报编队飞行机群内各节点的惯性系统提供的惯性导航数据，建立编队飞行机群内的每个节点数据融合时刻由各节点位置组成的惯性导航多边形；(2)利用机载数据链测量并通报编队飞行机群内各节点两两之间的相互测距信息，建立数据融合时刻各节点两两之间由相互测距信息获得的量测多边形；(3)相对于惯性导航多边形，对量测多边形先进行平移，使量测多边形的形心与惯性导航多边形的形心重合；再进行旋转，使量测多边形和惯性导航多边形的相应顶点距离差的平方之和为最小；(4)估计惯性导航位置误差，把平移旋转后的量测多边形和惯性导航多边形相应顶点的位置求差即可得到惯性导航位置误差的估计值。
2.根据权利要求1所述的基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法，其特征 在于所述编队飞行机群内的每个节点进行数据融合时刻采用的融合系统由一套机载数据 链、一套惯性导航系统和一套组网计算机组成；机载数据链同时具备测距和通信功能，各套 机载数据链相互之间以及每个节点的机载数据链与惯性导航系统之间可以实现时间同步； 工作过程中，惯性导航数据传送给机载数据链，机载数据链负责各节点两两之间的相互测 距，并实时通报惯性导航数据和相互测距信息，各节点的组网计算机获取到机群内所有节 点的惯性导航数据和各节点两两之间的测距信息，然后进行数据融合计算。
3.根据权利要求1所述基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法，其特征在 于所述步骤(2)先利用相互测距信息计算量测多边形各节点的概略坐标，然后通过间接 平差法建立数据融合时刻由各节点位置组成的量测多边形；计算时，以节点1的惯性导航 输出位置为起算点，以节点1和节点2的惯性导航输出位置的连线方向为起算方向，根据第 i个节点分别与节点1和节点2的测距信息计算第i个节点的概略坐标；在计算出的概率 位置基础上，利用所有节点两两之间的测距信息，采用间接平差法对各节点的概率位置进 行调整，确定最终的量测多边形。
全文摘要
一种基于相互测距信息的机群惯性导航数据融合方法，该方法考虑到惯性导航系统的定位误差基本上服从正态分布这一特征，利用机载数据链获得的机群各节点之间的相互测距信息和惯性导航数据，使用几何图形平移旋转的数据融合方法来估计机群各节点的惯性导航定位误差，可以将机群惯性导航位置精度提高1/2左右。本发明利用机载数据链测距精度优于惯性导航系统定位精度的特点，将机载数据链系统和惯性导航系统通过数据融合方法有效结合，成功地解决了如何在“体系对抗”条件下，无GPS时机群众各节点的精确导航问题。
文档编号G01C21/20GK101957204SQ201010295640
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者冯培德, 刘俊成, 张京娟 申请人:北京航空航天大学