一种分布式pos用数据处理计算机系统实时导航方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方法，可以应用于分 布式POS (Position and Orientation System,位置姿态测量系统），也可以应用于惯性网 络协同导航、惯性/GPS (Global Position System,全球定位系统）组合导航系统的数据处 理与导航计算。
【背景技术】
[0002] 高精度P0S由惯性测量单兀（InertialMeasurementUnit,IMU)和GPS组成。IMU 是INS(InertialNavigationSystem，惯性导航系统）/GPS、P0S等惯性测量系统的核心部 件；GPS能够提供位置、速度、时间以及高精度的秒脉冲（pulsepersecond，PPS)信息。高 精度P0S可以为高分辨率航空遥感系统提供高频、高精度的时间、空间基准信息，通过运动 误差补偿提高成像精度和效率，是实现高分辨率成像的关键。我国在单P0S研制方面取得 了一定的进展，但是由于对地观测载荷的需求牵引，如集成高分辨率测绘相机、全谱段成像 光谱仪、大视场红外扫描仪、SAR于同一载机的多任务载荷，机载分布式阵列天线SAR和柔 性多基线干涉SAR以及艇载稀疏阵列成像雷达等，多个或多种观测载荷安装在飞机的不同 位置，采用传统的单一P0S系统无法实现多点的高精度位置姿态测量以及各载荷数据的时 间统一，迫切需要建立起高精度分布式时空基准系统，为高性能航空遥感系统中所有载荷 提供高精度的时间、空间信息。
[0003] 针对一主两子干涉SAR系统，建立高精度分布式P0S系统。分布式P0S由主P0S 和两个分布在机翼下的子IMU组成。主P0S解算获得飞机的高精度位置、速度和姿态等运 动参数，两个子MU利用主P0S提供的信息进行传递对准，最终实现多节点运动信息的精确 测量。
[0004] 分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方法，是完成分布式P0S实时导航的 核心，该方法接收主頂U、两个子MU和GPS提供的原始信息，并进行数据预处理、初始对准、 捷联解算、组合滤波、传递对准、时间同步、数据发送等任务。现有分布式P0S传递对准方法 在建立状态方程时没有考虑杆臂长度误差的影响，不能实时估计出主/子頂U之间的杆臂 长度；且现有方法计算量较大，适用于事后处理，不能应用于分布式P0S的实时导航。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种分布式P0S用数据处 理计算机系统实时导航方法
[0006] 本发明的技术解决方案为：一种分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方 法，其步骤如下：
[0007] (1)主P0S实时导航；首先，采用基于PPS实时标定与分频的时间同步方法实现分 布式P0S主/子MU原始数据的同时刻采集，其次，将GPS数据进行杆臂补偿，获得杆臂补 偿后的位置和速度信息，利用主頂U数据进行初始对准以及捷联解算，获得主MU的惯性导 航结果；采用卡尔曼滤波的方法估计主頂U位置、速度、姿态和惯性器件误差，并将估计出 的误差进行反馈校正，得到高精度的主POS实时导航结果；
[0008] (2)子MU初始对准；根据子MU数据和主P0S的位置信息，采用基于惯性矢量二 次积分的解析对准方法完成摇摆基座下子MU初始对准，通过二次积分的方式，减小了环 境扰动引起的加速度误差，得到更精确的子MU初始位置、速度和姿态信息；
[0009] (3)子MU实时导航；初始对准完成后，利用子MU数据进行捷联解算，获得子MU 惯性导航结果；采用基于多级杆臂补偿的卡尔曼滤波方法完成分布式P0S传递对准，估计 主/子MU之间的基线长度误差以及子MU位置、速度、姿态和惯性器件误差，得到主/子 MU之间准确的基线长度和高精度的子MU实时导航结果。
[0010] 上述步骤（1)中所述的基于PPS实时标定与分频的时间同步方法为：将PPS作为 同步脉冲信号引入三个頂U的信号采集电路中，PPS秒脉冲触发主/子MU在同一时刻启 动数据采集；然后根据每秒的PPS标定IMU内部时钟，实时调整数据采集周期分频数，修正 MU内部的时钟漂移，保证各IMU-直在相同时刻进行数据采集。
[0011] 上述步骤（2)中所述的基于惯性矢量二次积分解析对准的方法，通过下式确定子 IMU姿态矩阵:
[0012]
【主权项】
1. 一种分布式POS用数据处理计算机系统实时导航方法，其特征在于包括下列步骤： (1) 主P0S实时导航；首先，采用基于PPS实时标定与分频的时间同步方法实现分布式 P0S主/子MU原始数据的同时刻采集，其次，将GPS数据进行杆臂补偿，获得杆臂补偿后的 位置和速度信息，利用主MU数据进行初始对准以及捷联解算，获得惯性导航结果，采用卡 尔曼滤波的方法估计主頂U位置、速度、姿态和惯性器件误差，得到高精度的主P0S实时导 航结果； (2) 子MU初始对准；根据子MU数据和主P0S的位置信息，采用基于惯性矢量二次积 分的解析对准方法完成摇摆基座下子頂U初始对准，得到子MU初始位置、速度和姿态信 息； (3) 子IMU实时导航；初始对准完成后，利用子IMU数据进行捷联解算，获得惯性导航 结果；采用基于多级杆臂补偿的卡尔曼滤波方法完成分布式P0S传递对准，估计主/子IMU 之间的基线长度误差以及子MU位置、速度、姿态和惯性器件误差，得到主/子MU之间准 确的基线长度和高精度的子IMU实时导航结果。
2. 根据权利要求1所述的一种分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方法，其特 征在于：步骤（1)所述的基于PPS实时标定与分频的时间同步方法中，以PPS作为同步脉冲 信号,触发頂U数据采集脉冲的产生，之后根据每秒的PPS标定MU内部时钟，实时调整数 据采集周期分频数，修正MU内部的时钟漂移，保证各IMU-直在相同时刻进行数据采集。
3. 根据权利要求1所述的一种分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方法，其特 征在于：步骤（2)所述的基于惯性矢量二次积分的解析对准方法中，二次积分是针对子IMU 中加速度计敏感到的重力加速度进行的，第一次积分将加速度矢量转化为速度矢量，第二 次积分将速度矢量转化为位移矢量。
4. 根据权利要求1所述的一种分布式P0S用数据处理计算机系统实时导航方法，其特 征在于：步骤（3)所述的卡尔曼滤波方法中，状态变量X共有18维，包括东、北、天向的失准 角办、办、科/，东、北、天向的速度误差SVE、SVN、，纬度、经度、高度误差SL、S入、 SH,x、y、z轴向的陀螺仪常值漂移误差ex、ey、ez，x、y、z轴向加速度计常值漂移误差 Vz，x、y、z轴向杆臂长度误差Arx、Ary、Arz;量测量Z是经过多级杆臂补偿 的速度误差和位置误差，多级杆臂分别为GPS与主MU之间的刚性杆臂和主/子MU之间 的柔性杆臂。
【专利摘要】本发明提供一种分布式POS用数据处理计算机系统实时导航方法，首先，采用基于PPS实时标定与分频的时间同步方法实现三个IMU原始数据的同时刻采集；其次，将主IMU数据与GPS数据融合得出主POS实时导航结果；子IMU采用基于惯性矢量二次积分的解析对准方法完成摇摆基座初始对准，并采用基于多级杆臂补偿的卡尔曼滤波方法完成分布式POS传递对准，得到子IMU实时导航结果以及主/子IMU之间的相对空间关系；本发明实现一主两子分布式POS实时数据处理，适用于高精度分布式惯性测量、导航及组合导航系统。
【IPC分类】G01S19-47, G06F19-00
【公开号】CN104698486
【申请号】CN201510138324
【发明人】李建利, 刘刚, 贾黎冬, 房建成, 白立建, 卢兆兴, 叶文
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月26日