CN107941216A

CN107941216A - 一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统外水平阻尼方法

Info

Publication number: CN107941216A
Application number: CN201710837742.3A
Authority: CN
Inventors: 张勇刚; 卢曼曼; 李宁; 李智超
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明公开一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统外水平阻尼方法，属于航海捷联惯导技术领域。该方法中，采用自适应互补滤波技术，消除由初始误差与振荡误差。在设计阻尼网络过程中，首先应用互补滤波技术，得到高阶阻尼网络；然后根据随时间变化的外参考速度误差寻找阻尼参数与外参考速度误差的关系，得到关系表达式；最后将阻尼参数代入到阻尼网络中，并将此阻尼网路带入到惯导的解算回路中，得到新的解算方程。该自适应互补滤波阻尼网络的阻尼消除了舒勒振荡误差，由于阻尼切换导致的超调误差以及由于外参考速度变化而引起的偏离中心值甚至是发散的现象，具有更高的稳定性和实用性。

Description

一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统外水平阻尼方法

技术领域

本发明属于航海捷联惯导技术领域，具体涉及一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统的外水平阻尼方法。

背景技术

无阻尼惯性导航系统是一种自主式导航系统，运载体不受加速度的干扰，但其含有三种周期性振荡误差，即舒勒周期振荡、傅科周期振荡和地球周期振荡。对飞机、导弹等此类加速度和速度很大，同时使用时间又很短的系统，误差积累并不严重，但是对于使用时间较长，加速度又不太大的舰船来说，产生的误差是振荡的，并且随时间积累，无阻尼惯导系统无法满足要求，必须对振荡误差进行阻尼。惯导系统与GPS的组合式导航系统可以补偿发散的惯导系统误差，但GPS易受干扰，且在水下无法进行定位。因此在无法获得位置信息的情况下，只能依靠多普勒提供的速度信息进行外水平阻尼来抑制舒勒振荡。

目前，学者们正努力寻求有效的外水平阻尼算法。传统的外水平阻尼网络能够很好的将舒勒振荡误差阻尼下来，但是在阻尼切换时会产生超调误差，且外参考速度误差越大，产生的超调越大。此外，其参数是通过逐步尝试法而得到的，不具有理论推导依据。因此文献《基于Kalman滤波技术的捷联惯导系统水平阻尼算法》(中国惯性技术学报,2013,21(3):285-288)立足现代控制理论，提出一种基于卡尔曼滤波技术的水平阻尼算法，但卡尔曼滤波算法对初始值的选取以及过程噪声的协方差很敏感，在实际应用中，无法获得准确的加速度计误差与陀螺漂移。文献《基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计》(中国惯性技术学,2012,20(2)157-161)提出了将具有优良高频特性的常速度网络和低频特性的相位滞后超前网络进行互补滤波匹配，但当多普勒测得的参考外速度误差随时间变化时，固定的阻尼参数并不能起到良好阻尼效果，甚至造成发散现象，造成了一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，本发明选取具有优良高频特性的常速度网络和优良低频特性的相位滞后-超前网络进行互补匹配得到同时具有高低频特性的高阶网络，并根据实时变化的多普勒测得的外参考速度误差，固定其中一个阻尼参数，自适应调节高阶互补滤波阻尼网络的另一个阻尼系数，将带有此系数的阻尼网络加入到惯导解算的控制方程中，进而消除掉速度误差、位置误差和姿态角误差中的射了振荡以及阻尼转换状态下的超调问题，以达到自适应多变的外参考速度误差和保证稳定性的目的。

本发明包括以下几个步骤：

步骤一：基于互补滤波的阻尼网络选取方法如下，由于阻尼网络需要具有使得常数的外参考速度误差对惯性指示位置误差和速度误差的贡献为0，而加速度计测量误差和陀螺仪漂移误差的低频分量影响保持与无阻尼状态的情况不变，有效过滤外参考速度和惯性仪表输出的高频干扰信号得功能，且保证舒勒阻尼回路的闭环特征方程的特征根具有负实部，因此选却的阻尼网络需要具有良好的高频和低频特性；由于常速度网络具有抑制高频参考速度误差的特性，而相位滞后-超前网络对陀螺仪漂移加速度计误差具有高频衰减特性，二者的互补性很强，因此考虑将两种网络组合成互补滤波器，常速度网络Q_A(s)和相位滞后-超前网络Q_B(s) 为：

即保持常速度网络的高频特性和相位滞后-超前网络的低频特性，互补匹配后的高阶网络为：

该网络对高低频参考速度误差的频率特性为均不低于40dB/10deg，且对于加速度计误差和陀螺漂移来说，低频几乎无衰减，即地球周期振荡依然存在；但高频均具有二阶以上的衰减特性，具有明显的优势；

步骤二：在惯导系统中加入自适应机构，多普勒计程仪测得的外参考速度和惯导系统的速度之差为自适应机构的输入量，阻尼网络的参数为自适应机构的输出量，自适应阻尼系统通过自适应机构根据外速度误差实时的调整阻尼网络参数；

步骤三：选取速度误差作为自适应机构的目标函数，即：

其中，δv_x,δv_y分别为东向和北向系统速度与外参考速度之差；由捷联惯导系统的传播特性可知，系统的速度和外参考速度之差对阻尼参数的影响很大；

由于v_INS＝v+δv_INS,v_r＝v+δv_r,δv＝v_r-v_INS，其中δv,δv_r,v_r,v_INS,v分别为系统速度与外参考速度之差，外参考速度误差，外参考速度，系统速度和真实速度；由于多普勒计程仪测得的外参考速度误差易受环境影响，外参考速度误差到系统误差的传递需要通过1-Q(s)，因此可以等效为变换外参考速度误差，来寻求最优的阻尼系数的方法，使目标函数最小，最终得到外速度误差与阻尼比的拟合曲线为：

步骤四：将带有自适应机构的互补滤波阻尼网络带入到惯导系统的解算回路中，得到惯导的解算方程为：

其中Q(s)为含有随时间变化参考速度误差的阻尼参数的阻尼网络，R_M,R_N为地球子午圈半径和卯酉圈半径，Ω为地球自转角速度，按照上述控制方程进行惯导解算，即可位置误差、速度误差和姿态角误差中的消除舒勒振荡与状态切换的超调误差。

本发明的优点在于：

(1)该阻尼惯导系统在状态切换时速度误差和姿态角误差未出现超调现象，在阻尼状态时，舒勒振荡被抑制掉。

(2)在外参考速度误差随时变化的情况下，可随时选择出最优的阻尼参数进行阻尼，避免由于固定参数引起的偏离中心值甚至是发散现象，具有较高的稳定性。

附图说明

图1为基于自适应互补滤波的外水平阻尼算法流程图；

图2为捷联惯导单水平通道误差图；

图3为互补滤波方框图；

图4为单水平通道自适应控制图；

图5为外参考速度误差仿真图；

图6为速度误差仿真图；

图7为水平姿态角误差仿真图；

图8为真实数据解算的速度误差图；

图9为真实数据解算的水平姿态角误差图；

图10为阻尼网络舒勒回路的位置误差特性；

图11为不同外速度误差δv_r与阻尼比ξ的对应关系；

图12为仿真参数设置。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例：在舰船的长时间导航中，由于舒勒振荡的存在，无阻尼惯导系统并不能满足需求，陀螺随机漂移的存在会造成随时间积累的振荡误差，传统的外水平阻尼网络可消除振荡性误差，但其在阻尼切换时会产生超调现象，且超调量大小与系统速度和外参考速度之差的大小成比例，本发明根据随时间变化的外参考速度误差来选取阻尼参数，以达到更高的稳定性，实施流程如附图1，具体步骤如下：

步骤一：分析常速度网络和相位滞后-超前网络幅频特性，并将两种网络进行互补匹配；

如附图2所示为捷联惯导系统单水平通道误差框图，可知舒勒回路的主要误差源为外参考速度误差δv_r，加速度计测量误差Δ和陀螺仪漂移误差ε，得到其速度误差和位置误差为：

其中，Q(s)为阻尼网络。由于舒勒回路的三大误差源的存在，且惯性仪表输出的是高频干扰信号，外参考速度误差含有高频测量噪声和低频旳海流污染。阻尼网络应满足以下特性：

(1)校正网络的传递函数在中频段提供相位超前量，保证舒勒阻尼回路的闭环特征方程的特征根具有负实部，使系统是渐进稳定的。

(2)在静态条件下，使得常数的外参考速度误差对惯性指示位置误差和速度误差的贡献为0，而加速度计测量误差和陀螺仪漂移误差的低频分量影响保持与无阻尼状态的情况不变。

(3)为了提高抵抗高频干扰的能力，要求使得舒勒阻尼回路具有二阶以上的高频衰减特性，能有效过滤外参考速度和惯性仪表输出的高频干扰信号。

(4)当遇到强海流和严重海况时，或者舰艇机动航行时，应及时降低阻尼比甚至转为无阻尼状态运行，以消除外参考速度超大误差对惯性指示参数的不良影响。

由于常速度网络具有抑制高频参考速度误差的特性，而相位滞后-超前网络对陀螺仪漂移加速度计误差具有高频衰减特性，二者的互补性很强，因此考虑将两种网络组合成互补滤波器，常速度网络Q_A(s)和相位滞后-超前网络Q_B(s)为：

互补方案如附图3所示，上述互补滤波的双舒勒回路组合系统可等价为单舒勒回路的阻尼网络，即将Q_A(s),Q_B(s)代入位置误差中，得到下式：

再根据二者的互补性，进行如下计算：

δr_A(s)×(1-W(s))+δr_B(s)×W(s)

则得到等价的串联校正网络传递函数：

其中，W(s)为二阶低通滤波器，即

将常速度网络，相位滞后-超前网络与二阶匹配的阻尼网络的参考速度误差δv_r和加速度计误差Δ的位置误差特性进行对比，陀螺漂移特性与加速度计误差相似，如表1所示：

由表可知，组合后的二阶匹配网络对高低频参考速度误差的频率特性为均不低于40dB/10deg，且对于加速度计误差和陀螺漂移来说，低频几乎无衰减，即地球周期振荡依然存在。但高频均具有二阶以上的衰减特性，具有明显的优势。

步骤二：设计自适应互补滤波阻尼网络：

捷联惯导系统由无阻尼状态到阻尼状态的切换时，超调量的大小与系统速度和外参考速度之差δv的大小成比例，因此本文设计的系统单通道的外水平阻尼自适应控制方案如附图4 所示，在惯导系统中加入自适应机构，多普勒计程仪测得的外参考速度和惯导系统的速度之差为自适应机构的输入量，阻尼网络的参数为自适应机构的输出量，自适应阻尼系统通过自适应机构根据外速度误差实时的调整阻尼网络参数。

步骤三：建立阻尼参数与外参考速度误差的关系；

为了确立阻尼参数，选取速度误差作为自适应机构的目标函数，即：

其中，δv_x,δv_y分别为东向和北向系统速度与外参考速度之差。由捷联惯导系统的传播特性可知，系统的速度和外参考速度之差对阻尼参数的影响很大。

由于v_INS＝v+δv_INS,v_r＝v+δv_r,δv＝v_r-v_INS，其中δv,δv_r,v_r,v_INS,v分别为系统速度与外参考速度之差，外参考速度误差，外参考速度，系统速度和真实速度。由于多普勒计程仪测得的外参考速度误差易受环境影响，外参考速度误差到系统误差的传递需要通过1-Q(s)，因此可以等效为变换外参考速度误差，来寻求最优的阻尼系数的方法，使目标函数最小。具体的实施方案：选取陀螺漂移和加速度计误差为0.01°/h,10^-4g，且固定其中一个阻尼参数 η＝0.5，并取μ＝1/2η＝0.5，根据平台误差角的超调量与调节时间，选取出外参考速度误差 δv_r与最优的阻尼比ξ之间的对应关系，如表2所示。

得到外速度误差与阻尼比的拟合曲线为：

步骤四：将自适应机构和匹配后的高阶阻尼网络代入到惯导系统回路中，获得新的控制方程进行惯导解算。

将阻尼系数ξ按照上式代入阻尼网络中，根据外速度的变化实时的选取阻尼参数的大小，来进行调节。得到惯导系统的位置控制方程(纬度，经度)：

速度控制方程(东向速度，北向速度)：

平台控制方程(x,y,z轴)：

实施过程：

实施例一：设在45.7796°N,126.6705°E，载体运行速度为5m/s，将阻尼系数ξ代入阻尼网络中，η＝μ＝0.5，仿真参数设置如表3所示。

按照下式设置外参考速度误差，仿真如附图5所示：

由于舰船的工作模式与外参考速度的准确程度有关，外参考速度不准确时，只进行无阻尼状态。根据上式选取外参考速度误差，在t＝5h，由无阻尼状态切换至阻尼状态；t＝12h由阻尼状态切换回无阻尼状态；t＝18h，由无阻尼状态切换至阻尼状态。由于不同时间点对应的惯导系统的速度误差不同，因此，为了验证该算法，实现了在不同时间点的阻尼切换过程，按照上述设置进行仿真，得到的速度误差和水平姿态角误差如附图6和7所示。

实施例二：

为了验证基于互补滤波的自适应网络具有工程使用性，将PHINS与H/H HZ001惯导系统连接，将PHINS作为基准，在某地点(45.7796°N,126.6705°E)进行实验，初始纵摇角，横摇角和航向角分别为-0.016°,-0.398°,253.11°，阻尼系数ξ代入，多普勒外参考速度误差如下式：

δv_r＝0.5×sin(2πt/18h)kn

陀螺仪和加速度计常值漂移与噪声如表3所示，对实验数据进行离线分析处理，在1小时处进行状态转换，得到实验结果，速度误差和姿态角误差如附图8和9所示。

实施效果：

实施例一种仿真数据验证了拟合曲线的可行性，在5小时与18小时的切换处速度误差和姿态角误差未出现超调现象，在阻尼状态时，舒勒振荡被抑制掉。在外参考速度误差随时变化的情况下，可随时选择出最优的阻尼参数进行阻尼，验证了该算法在不同时间点切换的可行性，因此基于自适应互补滤波的阻尼网络可应用在捷联惯导系统的仿真中。

由实施例二的解算结果可知，在1小时处进行阻尼切换，本文提出的基于自适应互补滤波的阻尼网络在切换处误差未出现超调现象，由速度误差图可知本文的方法未偏离原始中心值。因此自适应互补滤波机构可应用在实际工程应用中，与传统阻尼方法和互补滤波网络相比，具有实用性。

从以上实施例不难看出，本发明提出的基于自适应互补滤波的阻尼网络，在互补滤波的基础上，将外参考速度误差的变化作为选取阻尼系数的依据，实时得选取最优阻尼系数得到适时可变的阻尼网络。通过仿真验证了算法的可行性，有效的抑制了舒勒周期振荡和状态转换时的超调误差和相位偏差，明显改善了惯导系统的动态性能。

Claims

1.一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统外水平阻尼方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：基于互补滤波的阻尼网络选取方法如下，由于阻尼网络需要具有使得常数的外参考速度误差对惯性指示位置误差和速度误差的贡献为0，而加速度计测量误差和陀螺仪漂移误差的低频分量影响保持与无阻尼状态的情况不变，有效过滤外参考速度和惯性仪表输出的高频干扰信号得功能，且保证舒勒阻尼回路的闭环特征方程的特征根具有负实部，因此选却的阻尼网络需要具有良好的高频和低频特性；由于常速度网络具有抑制高频参考速度误差的特性，而相位滞后-超前网络对陀螺仪漂移加速度计误差具有高频衰减特性，二者的互补性很强，因此考虑将两种网络组合成互补滤波器，常速度网络Q_A(s)和相位滞后-超前网络Q_B(s)为：

步骤三：选取速度误差作为自适应机构的目标函数，即：

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