专利名称：基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法，属于惯性导航技术领域。
背景技术：
传统捷联惯导系统的仿真设计思路是通过设定系统的初始对准误差、惯性器件的误差，仿真获得相应的系统定位精度，进行相关的理论和算法研究。但在实际的捷联惯导系统的工程设计与应用中，需要根据系统的定位精度要求对惯性器件进行设计选型，而惯性器件的误差和捷联惯导系统最终的定位精度之间存在着密切的对应关系。
捷联惯导系统的仿真误差一般包括四类数学模型近似误差、惯性器件误差、算法误差及初始对准误差。研究表明惯性器件误差是影响捷联惯导系统精度的主要因素，约占系统误差的90%，特别是在静基座条件下，其中数学模型近似误差、算法误差及初始对准误差影响较小，可以忽略其对捷联惯导系统定位精度的影响。根据现有惯性器件误差模型，可将惯性器件误差分为确定性误差和随机误差两类。在实际应用中，确定性误差部分可以通过误差标定及补偿方法进行修正，消除其对捷联惯导系统精度的影响；但目前对于惯性器件中随机变化的非平稳误差没有有效的标定和误差处理与补偿方法，这部分误差是影响捷联惯导系统定位精度的主要误差源。捷联惯导系统中使用的惯性器件包括陀螺仪和加速度计，陀螺仪的随机误差模型由随机常值、一阶马尔可夫过程和白噪声三部分组成，加速度计的随机误差模型也由随机常值、一阶马尔可夫过程和白噪声三部分组成，经分析白噪声对于捷联惯导系统定位误差的影响较小。
发明内容
本发明针对捷联惯导系统的工程设计与应用中，需要根据系统的定位精度要求对惯性器件进行设计选型的问题，仿真分析了惯性器件误差和捷联惯导系统最终的定位精度之间的对应关系，提出了一种基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法，增强了惯性导航系统设计中对于惯性器件选型的针对性。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法，包括下列步骤
步骤一、静基座条件下，分析惯性器件随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响，包括；
1)分析陀螺仪随机常值对经纬度误差的综合影响；
2)分析陀螺仪一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响；
3)分析陀螺仪同时加有随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响；
4)分析加速度计随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响；
5)分析捷联惯导系统仿真中同时存在加速度计和陀螺仪的随机误差时对经纬度误差的综合影响；
步骤二、静基座条件下，分析仿真时间为I小时的惯性器件，即陀螺仪与加速度计随机常值对经纬度误差及定位误差的影响，包括
1)分析导航时间为I小时的陀螺仪随机常值
￡对经度误差拟和讳度误差的影响，其表达式为:各又二 f\ (^),各L — J2 (￡■)；
2)分析导航时间为I小时的陀螺仪随机常值ε对定位误差的影响，其表
达式为SPgyro_b = {ε)；
3)分析导航时间为I小时的加速度计随机常值7对经度误差况和纬度误差的影响，其表达式为谷λ = . (V) , SL = h2 (V)；
4)分析导航时间为I小时的加速度计随机常值P对定位误差的影响，其表
达式为办啦」,=Zi(V)；
步骤三、静基座条件下，进行多次重复仿真实验，分析仿真时间为I小时的惯性器件一阶马尔可夫过程对定位误差的影响；
步骤四、依据I σ定位精度的评估方法(I σ指置信度为68. 26%)以及惯性器件误差的合理分配，推导由定位误差反推惯性器件误差的方法。本发明的有益效果如下
(I)利用捷联惯导系统仿真得出的定位精度与惯性器件误差之间明确的对应关系，根据系统设计中对于定位精度的需求，可以直接解算出惯性器件误差。其与传统捷联惯导系统仿真设计中需要对器件误差进行多次试凑和重复实验后，才能满足系统定位精度需求的方法相比，在很大程度上减少了工作量。(2)考虑到实际惯导系统设计中的经济成本控制，需要对陀螺仪和加速度计进行最优化的选型问题，由定位精度反推器件误差的仿真方法为该问题的研究奠定了理论基础。
图I是基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法流程框图。图2是验证试验中定位误差为I海里和5海里的概率直方图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。在静基座条件下，综合分析惯性器件随机误差对经纬度误差影响的误差传播特性；在此基础上，依据定位误差公式，进行仿真分析，得出仿真时间为I小时的惯性器件随机常值和一阶马尔可夫过程对定位误差的影响；基于两种惯性器件随机误差对定位误差的影响，依据I σ定位精度的评估方法，由定位误差反向求解惯性器件误差，方法框图如图I所示。方法包括下列步骤
步骤一、静基座条件下，分析惯性器件随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响；
步骤二、基于步骤一，静基座条件下，分析仿真时间为I小时的惯性器件(陀螺仪与加速度计)随机常值对经纬度误差及定位误差的影响；
步骤三、基于步骤一和二，静基座条件下，分析仿真时间为I小时的惯性器件一阶马尔可夫过程对定位误差的影响；
步骤四、基于步骤二和三的分析，依据I a足位精度的评估方法以及惯性器件误差的合理分配，推导由定位误差反推惯性器件误差的万法。步骤一、静基座条件下，分析惯性器件随机误差对经纬度误差的综合影响，其方法如下
I)分析陀螺仪随机常值对经纬度误差的综合影响。进行I (,v>5 )组仿真实验，实验中陀螺仪只加入随机常值的误差量，将每组实验仿真时间设为t，t取值大于24h，仿真步 长设为T (T取值范围为O. 005s—0. 02s)，将第k组=)中各个轴的随机常值
(i =均设为^度/时取值范围一般为ο. 001-0. O,仿真得到三个轴的
陀螺仪分别加随机常值后的经纬度误差结果，以及三轴同时加随机常值后的经纬度误差结果，通过仿真结果的对比可以得出三个轴的陀螺仪随机常值引起的经纬度误差是各个轴共同影响、叠加后的结果。2)分析陀螺仪一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响。陀螺仪一阶马尔可
■I
夫过程的数学模型为￡=—珥，其中为相关时间，为陀螺仪一阶马尔可夫白
7S
噪声。进行W (#25)组仿真实验，实验中陀螺仪只加入一阶马尔可夫过程的误差量，将每组实验仿真时间设为t，t取值大于24h，仿真步长设为T (T取值范围为O. 005s—O. 02s),
相关时间设为Tff (rs取值范围为1800S—3600S)。各组实验中每个轴的今寧=X5 J5 z)
与I)中陀螺仪随机常值设置相同，各组实验中q的均方差分别设置为M1 = …N
)。分析仿真结果得出三个轴陀螺仪的一阶马尔可夫过程引起的经纬度误差同样是各个轴共同影响、叠加后的结果。3) 分析陀螺仪同时加有随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响。进行W (Y25)组仿真实验，实验中陀螺仪同时加入随机常值和一阶马尔可夫过程的误差量，其余仿真条件与I)和2)中相同。从仿真结果的对比，可以得出陀螺仪的两类随机误差造成的经纬度误差也是各类误差共同影响、叠加后的结果。4) 分析加速度计随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响，得出与陀螺仪相同的规律(a)三个轴的加速度计随机常值引起的经纬度误差是各个轴共同影响、叠加后的结果；(b)三个轴加速度计的一阶马尔可夫过程引起的经纬度误差同样是各个轴共同影响、叠加后的结果；(C)加速度计的两类随机误差造成的经纬度误差是各头误差共同影响、叠加后的结果。加速度计的一阶马尔可夫过程的数学模型为
I
V = 一 V+^，其中为相关时间，为加速度计一阶马尔可夫白噪声。
IrTa
a5) 分析捷联惯导系统仿真中同时存在加速度计和陀螺仪的随机误差时对经纬度误差的综合影响。通过仿真结果的对比可以得出，惯性器件的随机误差对经纬度误差的影响是这两种器件随机误差共同影响、叠加后的结果。步骤二、静基座条件下，分析仿真时间为I小时的惯性器件(陀螺仪与加速度计)随机常值对经纬度误差及定位误差的影响，其方法如下
I)分析导航时间为I小时的陀螺仪随机常值对经纬度误差的影响。进行《 ( 25 )组
仿真实验，设第1组
权利要求
1.一种基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法，其特征在于，包括下列步骤 步骤一、静基座条件下，分析惯性器件随机常值和ー阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响，包括； 1)分析陀螺仪随机常值对经纬度误差的综合影响； 2)分析陀螺仪一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响； 3)分析陀螺仪同时加有随机常值和ー阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响； 4)分析加速度计随机常值和ー阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响； 5)分析捷联惯导系统仿真中同时存在加速度计和陀螺仪的随机误差时对经纬度误差的综合影响； 步骤ニ、静基座条件下，分析仿真时间为I小时的惯性器件，即陀螺仪与加速度计随机常值对经纬度误差及定位误差的影响，包括 1)分析导航时间为I小时的陀螺仪随机常值S对经度误差βぇ和讳度误差见的影响，其表达式分别为似=.f\ (芯),各L ニ Z2 (f)2)分析导航时间为I小时的陀螺仪随机常值ε对定位误差# &的影响，其表达式是各P-f⑷； 3)分析导航时间为I小时的加速度计随机常值▽对经度误差和纬度误差的影响，其表达式分别为从ニ ' (V) , SL ニ /ら(V)； 4)分析导航时间为I小时的加速度计随机常值"对定位误差b的影响，其表达式为5/ 抓b ニ Zi(V)； 步骤三、静基座条件下，进行多次重复仿真实验，分析仿真时间为I小时的惯性器件一阶马尔可夫过程对定位误差的影响； 步骤四、依据I a足位精度的评估方法以及惯性器件误差的合理分配，推导由定位误差反推惯性器件误差的方法。
全文摘要
本发明涉及一种基于捷联惯导系统定位精度的惯性器件误差仿真方法，属于惯性导航技术领域。该方法包括下列步骤1、静基座条件下，分析惯性器件随机常值和一阶马尔可夫过程对经纬度误差的综合影响；2、静基座条件下，分析仿真时间为1小时的惯性器件随机常值对经纬度误差及定位误差的影响；3、静基座条件下，分析仿真时间为1小时的惯性器件一阶马尔可夫过程对定位误差的影响；4、依据1定位精度的评估方法以及惯性器件误差的合理分配，推导由定位误差反推惯性器件误差的方法。该方法增强了惯性导航系统设计中对于惯性器件选型的针对性。
文档编号G01C25/00GK102853848SQ20121027364
公开日2013年1月2日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者赖际舟, 邢丽, 吕品, 刘建业, 曾庆化 申请人:南京航空航天大学