一種組合導航方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了一種組合導航方法，涉及導航技術領域，能夠提高組合導航系統(tǒng)的可靠性和精度。本發(fā)明包括：在飛行器導航過程中，通過主傳感器獲取慣性導航信息，所述主傳感器包括：慣性導航系統(tǒng)(I NS)；通過圖像傳感器采集飛行圖像與基準圖像匹配，并獲取飛行器位置信息、航向角信息，所述圖像傳感器包括合成孔徑雷達(SAR)，所述飛行圖像包括SAR圖像；根據(jù)由所述圖像傳感器連續(xù)拍攝的圖像，計算序列圖像間關系，并通過相機成像模型獲取所述飛行器的速度信息；通過氣壓高度計獲取所述飛行器的高度信息；利用所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息，修正慣性導航信息。本發(fā)明適用于組合導航系統(tǒng)。
【專利說明】
一種組合導航方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及導航技術領域，尤其涉及一種組合導航方法。
【背景技術】
[0002] 目前，在航空器導航技術中，僅使用單一的導航系統(tǒng)已很難滿足高精度導航的要 求，各大機構都在研究結合多種傳感器建成組合導航的方案，從而將不同種類的將慣性導 航信息有機結合，綜合提高導航系統(tǒng)的可靠性和精度。
[0003] 集成了慣性導航系統(tǒng)（INS)和合成孔徑雷達(SAR)的組合導航系統(tǒng)因其自主性強、 體積小、成本低、不易受電磁干擾等優(yōu)點，在航空航天飛行器導航領域具有廣泛應用。但是 在組合導航系統(tǒng)中，不同的量測系統(tǒng)獲得信息是不同步的。例如：INS-般具有比較小的積 分時間；而SAR中的數(shù)字圖像處理往往伴隨大量的運算，因此SAR的圖像匹配定位結果和INS 的測速結果會有較大的量測間隔。且SAR動態(tài)的拍攝圖像具有不同的特征信息，不同飛行位 置的SAR定位和測速的量測時間也不相同。這些問題，都造成了圖像匹配定位測速的輸出的 信息不同步，使得組合濾波精度產(chǎn)生負面影響，導致濾波發(fā)散，從而降低了組合導航系統(tǒng)的 可靠性和精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實施例提供一種組合導航方法，能夠提高組合導航系統(tǒng)的可靠性和精 度。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案：
[0006]在飛行器導航過程中，通過主傳感器獲取慣性導航信息，所述主傳感器包括:慣性 導航系統(tǒng)（INS);通過圖像傳感器采集飛行圖像與基準圖像匹配，并獲取飛行器位置信息、 航向角信息，所述圖像傳感器包括合成孔徑雷達(SAR)，所述飛行圖像包括SAR圖像;根據(jù)由 所述圖像傳感器連續(xù)拍攝的圖像，計算序列圖像間關系，并通過相機成像模型獲取所述飛 行器的速度信息；通過氣壓高度計獲取所述飛行器的高度信息；利用所述飛行器的位置、 航向角信息、速度信息和高度信息，修正所述慣性導航信息。
[0007]本發(fā)明實施例提供的組合導航方法，利用了 SAR所提供的圖像信息，加入了序列圖 像測速模塊，為INS提供速度修正，提高了傳統(tǒng)的SAR/INS組合導航的可靠性和精度。且利用 INS信息增量同時對SAR慣性導航信息延遲、非等間隔以及SAR量測不在INS濾波離散間隔上 所帶來的誤差進行補償，相比于不考慮SAR量測不在INS濾波離散間隔上的延遲修正更加精 確，解決了目前在組合導航系統(tǒng)中，不同的量測系統(tǒng)獲得信息是不同步的問題，提高了組合 導航系統(tǒng)的可靠性和精度。并且本發(fā)明所采用的濾波融合算法在其他組合導航中，如INS/ GPS也可適用，便于在工程應用的組合導航系統(tǒng)中進一步擴展并利用其他量測系統(tǒng)獲得的 fg息。
【附圖說明】
[0008] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的 附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領 域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0009] 圖1為本發(fā)明實施例提供的組合導航方法的流程圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明實施例提供的組合導航系統(tǒng)的運行架構示意圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明實施例提供的具體實例中的時序關系示意圖。
【具體實施方式】
[0012] 為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方 式對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示 例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類 似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能 解釋為對本發(fā)明的限制。本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形 式"一"、"一個"、"所述"和"該"也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書 中使用的措辭"包括"是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除 存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解， 當我們稱元件被"連接"或"耦接"到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者 也可以存在中間元件。此外，這里使用的"連接"或"耦接"可以包括無線連接或耦接。這里使 用的措辭"和/或"包括一個或更多個相關聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。本技術領域 技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有 與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用 字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且 除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0013]本發(fā)明實施例提供一種組合導航方法，如圖1所示，包括：
[0014] S1、在飛行器導航過程中，通過主傳感器獲取慣性導航信息。
[0015] S2、通過圖像傳感器采集飛行圖像與基準圖像匹配，并獲取飛行器位置信息、航向 角信息。
[0016] 其中，所述主傳感器包括:慣性導航系統(tǒng)（INS)。所述圖像傳感器包括合成孔徑雷 達(SAR)，所述飛行圖像包括SAR圖像。例如:基于如圖2所示的組合導航系統(tǒng):在飛行器導航 過程中，利用慣性導航系統(tǒng)（INS)作為主傳感器，獲得慣性導航信息。并在飛行器導航過程 中，利用合成孔徑雷達(SAR)圖像與基準圖像匹配獲得飛行器位置、航向角信息;利用SAR連 續(xù)拍攝的圖像，計算序列圖像間關系，同時結合飛行器姿態(tài)、高度、相機成像模型，得到飛行 器東向和北向速度信息。設兩張序列圖像拍攝時間為^^，^^^，該時間間隔內(nèi)東向或北 向的移動距離為1，則該方向速度為乂=1/(1^1。2-1^1。1)，速度量測時間為1^1。_ 111(5_1^ = (tvelcil+tvelcil)/2;利用氣壓高度計獲得飛行其高度信息。對于每個量測時刻，都記錄下量 測時間t me5asure5,并在后兩個濾波離散間隔記錄下慣性導航系統(tǒng)的對應慣性導航信息Xins」， Xins_2，以及后一個濾波離散間隔時刻tu
[0017] S3、根據(jù)由所述圖像傳感器連續(xù)拍攝的圖像，計算序列圖像間關系，并通過相機成 像模型獲取所述飛行器的速度信息。
[0018] S4、通過氣壓高度計獲取所述飛行器的高度信息。
[0019] S5、利用所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息，修正所述慣性導 航fg息。
[0020] 在本實施例中，所述利用所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息， 修正所述慣性導航信息的具體實現(xiàn)方式包括：
[0021] 根據(jù)所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息獲取量測量。例如:根 據(jù)所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息，通過量測
[0022] 方程+G(〇r(〇獲取量測量，F(xiàn)( t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，（7〇)為噪聲系 數(shù)矩陣，W(t)為噪聲矩陣，X(t)為系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣，其中，所述系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣表示為： 北向、天向姿態(tài)誤差，5e，5N, 5u分別表不東向、北向和天向的速度誤差，5L，5A, 5h分別表不煒 度、經(jīng)度和高度誤差，ebx，eby，ebz分別表示3個方向的陀螺常值漂移誤差， erx，ery，erz分別表 示3個方向的一階馬爾可夫漂移誤差，Vy別表示 3個方向加速度計零偏。
[0023] 其中，通過量測方程獲取量測量的具體方式可以采用：根據(jù)所述INS與所述SAR的 量測航向角、經(jīng)度/煒度方向的速度、經(jīng)度/煒度位置之差和所述INS與所述氣壓高度計獲取 的高度信息的之差，利用所述量測方程獲取量測量Z(t)=H(t)X(t)+V(t)其中，所述量測量 的矩陣表示為：
^和 RN用于表示地球曲率半徑，L為煒度，化為圖像匹配輸出的航向角誤差，且％的大小依賴圖像 匹配定位精度，V#PV3分別表示序列圖像匹配輸出的經(jīng)度方向速度誤差、煒度方向速度誤 差，V#PV 3的大小依賴序列圖像匹配測速精度，VjPV5分別表示經(jīng)度方向，煒度方向位置誤 差，VjPV 5的大小依賴圖像匹配定位精度，V6為氣壓高度表高度誤差，V6的其大小依賴氣壓 高度表測高精度，Zi-Zs分別表示所述INS與所述SAR的量測航向角、經(jīng)度/煒度方向的速度、 經(jīng)度/煒度位置之差，Z 6表示所述INS與所述氣壓高度計獲取的高度信息的誤差。
[0025]并在慣性導航系統(tǒng)的離散間隔到來時，檢測是否有除慣性導航系統(tǒng)以外的量測信 息被輸出。
[0026]若無除慣性導航系統(tǒng)以外的量測信息被輸出，則利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進行卡爾曼濾 A A 波的時間更新。例如：通過^進行卡爾曼濾波的時間更 ^ktk. ~ ^k^k-lPk-Vk-l^kyk~\ ^ ^k,k^l 新，其中，Sk時刻狀態(tài)向量，〇k,k-1為k時刻系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Pk/k為k時刻誤差協(xié)方差 陣，Qk-i為k-1時刻系統(tǒng)噪聲方差陣，r 為k-1時刻系統(tǒng)噪聲系數(shù)陣。
[0027] 若有除慣性導航系統(tǒng)以外的量測信息被輸出，且量測輸出不在狀態(tài)方程離散間隔 上，則延遲至緊鄰的后一個離散間隔上，對除慣性導航系統(tǒng)以外的量測信息進行延遲修正， 再進行組合濾波。例如：
[0028] 對于每個量測時刻，記錄量測時間tmeasure，并在后兩個濾波離散間隔記錄下慣性 導航系統(tǒng)的對應的慣性導航信息X ins」和Xins_2，和后一個濾波離散間隔時刻t1;
[0029] 通過修正方程
4導到修正 后的SAR的量測信息，其中，為濾波組合時刻的慣性導航系統(tǒng)的對應的慣性導航信 息，Zme5as_為SAR產(chǎn)生的量測信息，T為濾波離散間隔。
[0030] 在本實施例中，在組合濾波中同時進行卡爾曼濾波的時間更新和量測更新，并根 據(jù)濾波結果修正所述慣性導航信息的誤差。例如：
[0031] JTh--l^-i
[0032] Pkfk-l = k,k-lQkA^ k,k-l
[0033] Xvt = Xi -k-i+Kk (ZA -Hk Xk>k-x)
[0034] ,/-/： + /?,,.)'
[0035] 訕過L =(/ -心,進行卡爾曼濾波的時間更新和量 測更新，其中，上述方程式中的各大寫字母角標中的k均表示k時刻，ZkSk時刻量測信息， 為k時刻狀態(tài)一步預測值，Pk/k-iSk時刻一步預測均方差，Kk為k時刻濾波增益。K時刻 量測矩陣H k，噪聲方差陣Rk則需要根據(jù)量測傳感器輸出進行選擇。
[0036] 具體的，當SAR產(chǎn)生量測輸出時，如果量測輸出不在狀態(tài)方程離散間隔上，則延遲 至緊鄰的后一個狀態(tài)方程離散間隔上，并對SAR產(chǎn)生量測信息延遲修正。SAR定位量測不同 步和信息滯后的時序關系如圖3所示，其中：
[0037] TINS為INS的計算周期，狀態(tài)方程的離散化周期為T，設T = NTINS，N為正整數(shù)，、t2、 t3…為濾波輸出時刻，TSAR1，TSAR2為SAR定位從開始定位到圖像匹配算法運行結束的時間間 隔，每次SAR定位的T SARl的時間間隔不一定相同，本算法不假設SAR定位開始時刻和匹配算 法結束時刻在狀態(tài)方程的離散間隔上，At為SAR定位開始時刻到緊鄰的后一個狀態(tài)方程離 散間隔的時間間隔，At為圖像匹配算法運行結束到緊鄰的后一個狀態(tài)方程離散間隔的時 間間隔。圖像匹配測速與SAR定位具有相似的時序。
[0038]對SAR產(chǎn)生量測信息延遲修正的步驟為:在濾波組合時刻的對應慣性導航系統(tǒng)信 息為Xins_end，SAR傳感器產(chǎn)生量測信息輸出為Zmeasure，濾波離散間隔為T，通過修正方程：
[0040] 得到修正后的SAR傳感器產(chǎn)生量測信息，再利用該信息進行組合濾波。
[0041] 以圖3中的第一次SAR定位修正時序為例，在tsl時刻SAR開始定位，記錄下與后一個 濾波尚散間隔t2的時間差ATI，并記錄t2，t3時刻的INS輸出值Xins_t2，Xins_t3，直到ts2SAR匹配 結束，輸出tsl時刻的量測值Zposi，如果ts2在狀態(tài)方程尚散間隔上，則記錄該時間點的INS輸 出，如果不在間隔上，貝U記錄后一個尚散間隔點16的INS輸出值Xi ns_t6。16時刻的SAR匹配定位 量測值為：
[0043] 其中Zk為k時刻量測信息，xw t Sk時刻狀態(tài)一步預測值，Pk/k-iSk時刻一步預測 均方差，Kk為k時刻濾波增益。K時刻量測矩陣Hk，噪聲方差陣Rk則需要根據(jù)量測傳感器輸出 進行選擇:如有SAR定位的量測輸出和SAR圖像測速輸出，則進行兩者組合，如果還有高度計 測高輸出，則進行三者組合，因此共有7種組合方式。設SAR定位的量測矩陣為H PC1S1，噪聲方 差陣為RP〇si; SAR圖像測速的量測矩陣為Hve5i。，噪聲方差陣為Rtoi。;氣壓高度計測高的量測矩 陣為Hheight，噪聲方差陣為Rheight。那么兩者組合的量測矩陣和噪聲方差陣分別為：， \_HYet0\ 「i? 0 1 「//,"! 「i?:, 0 1 「丑.1 「i? . 0 r R ; H ， 〇° R ; Hp。' r R 。三者組合的量測矩 U 八油」L77 心/"」L U ^height] P 如妙:」1_ U ^height^ "hp〇, ] rRr〇, 〇 〇 陣和噪聲方差陣為：， 〇 KeU, 〇 〇 height _ _ ^ ^ ^-height _
[0044] 本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部 分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設備實 施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例 的部分說明即可。本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流 程，是可以通過計算機程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可存儲于一計算機可讀 取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲 介質(zhì)可為磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory，ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory，RAM)等。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變 化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的 保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種組合導航方法，其特征在于，包括： 在飛行器導航過程中，通過主傳感器獲取慣性導航信息，所述主傳感器包括:慣性導航 系統(tǒng)(I NS); 通過圖像傳感器采集飛行圖像與基準圖像匹配，并獲取飛行器位置信息、航向角信息， 所述圖像傳感器包括合成孔徑雷達(SAR)，所述飛行圖像包括SAR圖像； 根據(jù)由所述圖像傳感器連續(xù)拍攝的圖像，計算序列圖像間關系，并通過相機成像模型 獲取所述飛行器的速度信息； 通過氣壓高度計獲取所述飛行器的高度信息； 利用所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息，修正所述慣性導航信息。2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述飛行器的位置、航向角信息、 速度信息和高度信息，修正所述慣性導航信息，包括： 根據(jù)所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息獲取量測量； 在慣性導航系統(tǒng)的離散間隔到來時，檢測是否有除慣性導航系統(tǒng)W外的量測信息被輸 出； 若否則利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進行卡爾曼濾波的時間更新； 若是且量測輸出不在狀態(tài)方程離散間隔上，則延遲至緊鄰的后一個離散間隔上，對除 慣性導航系統(tǒng)W外的量測信息進行延遲修正，再進行組合濾波，其中，在組合濾波中同時進 行卡爾曼濾波的時間更新和量測更新，并根據(jù)濾波結果修正所述慣性導航信息的誤差。3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述飛行器的位置、航向角信息、 速度信息和高度信息獲取量測量，包括： 根據(jù)所述飛行器的位置、航向角信息、速度信息和高度信息，通過量測方程 乂於=巧句巧句+巧巧F牌巧取量測量，F(xiàn)( t)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，G( t)為噪聲系數(shù)矩陣，W( t) 為噪聲矩陣，X(t)為系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣，其中，所述系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣表示為： 義=隊，誇，，式.，&.，奪，在?化(訊而^。， 北向、天向姿態(tài)誤差，Se，Sn，Su分別表示東向、北向和天向的速度誤差，化，5、化分別表示締 度、經(jīng)度和高度誤差，Ebx, Eby, Ebz分別表示3個方向的巧螺常值漂移誤差，Ery, Erz分別表 示3個方向的一階馬爾可夫漂移誤差，V,.，V,.，V_-分別表示3個方向加速度計零偏。4. 根據(jù)權利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述通過量測方程獲取量測量，包括： 根據(jù)所述INS與所述SAR的量測航向角、經(jīng)度/締度方向的速度、經(jīng)度/締度位置之差和 所述INS與所述氣壓高度計獲取的高度信息的之差，利用所述量測方程獲取量測量Z(t)=H (t)X(t)+V(t)其中，所述量測量的矩陣表示為：Rm和Rn用 于表示地球曲率半徑，L為締度，Vi為圖像匹配輸出的航向角誤差，且Vi的大小依賴圖像匹配 定位精度，V2和V3分別表示序列圖像匹配輸出的經(jīng)度方向速度誤差、締度方向速度誤差，V2 和V3的大小依賴序列圖像匹配測速精度，V4和Vs分別表示經(jīng)度方向，締度方向位置誤差，V4 和Vs的大小依賴圖像匹配定位精度，V6為氣壓高度表高度誤差，V6的其大小依賴氣壓高度表 測高精度~Zs分別表示所述INS與所述SAR的量測航向角、經(jīng)度/締度方向的速度、經(jīng)度/ 締度位置之差，Z6表示所述INS與所述氣壓高度計獲取的高度信息的誤差。5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣進行卡爾曼濾波的 時間更新，包括： 通史圧行卡爾曼濾波的時間更新，其中，Xw為k 時刻狀態(tài)向量，?k,k-i為k時刻系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Pk/k為k時刻誤差協(xié)方差陣，Qk-I為k-1時刻 系統(tǒng)噪聲方差陣，r k,k-i為k-1時刻系統(tǒng)噪聲系數(shù)陣。6. 根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述對除慣性導航系統(tǒng)W外的量測信息進 行延遲修正，包括： 對于每個量測時刻，記錄量測時間Ueasure，并在后兩個濾波離散間隔記錄下慣性導航系 統(tǒng)的對應的慣性導航信息Xins 1和Xins 2,和后一個濾波離散間隔時刻tl; 通過修正方程得到修正后的 SAR的量測信息，其中，Xins_end為濾波組合時刻的慣性導航系統(tǒng)的對應的慣性導航信息， Zmeasure為SAR產(chǎn)生的量測信息，T為濾波離散間隔。 7 .根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，所述在組合濾波中同時進行卡爾曼濾波的 時間更新和量測更新，包括： 通i進行卡爾曼濾波的時間更新和量測更 新，其中，上巧萬程巧甲的脊滅與子巧用稱甲的k巧表示k時刻，孔為4時刻量測信息，^4,i_i 為k時刻狀態(tài)一步預測值，Pk/k-1為k時刻一步預測均方差，Kk為k時刻濾波增益。拙寸刻量測矩 陣化，噪聲方差陣化則需要根據(jù)量測傳感器輸出進行選擇。
【文檔編號】G01C21/16GK105910602SQ201610372749
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】冷雪飛, 茹江濤, 鞏哲, 劉楊
【申請人】南京航空航天大學