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1、捷联惯导/里程仪组合导航方案分析二、基本方案设计2.1 导航子系统特性分析捷联式惯导系统采用惯性元器件完成导航定位功能，优点是不依赖任何外部辅助信息，自主性强。但在陀螺漂移等误差源的激励下，其位置误差随时间发散。里程仪通过广电编码器等传感器，检测载体输出轴上的机械几何位移，从而实现运动载体里程测量。但在自身刻度系数的激励下，其测量误差随载体移动里程数的增加而增大。通过对捷联式惯导系统误差特性分析可知，在采用无阻尼导航方案时，惯导系统的误差特性基本与载体运动特性无关，仅与导航系统的工作时间有关；里程仪的测量误差仅与载体移动里程数有关，而与时间无关。二者不同的误差特性使得采用捷联式惯导系统与里程仪
2、构成高精度自主导航定位系统具备了基本条件。2.2 初步的组合导航系统方案设计根据捷联式惯导系统、里程仪的误差分析特性，为满足设计要求提出的定位精度，对组合导航系统方案的分析如下：（1） 在组合导航系统定位精度优于40cm的条件下，无法直接采用捷联惯导/里程仪组合导航定位的方案。这是因为，在轨道车运行10分钟的时间里，捷联惯导系统的航向误差、位置误差具有累积特性，在轨道车运行1000米的里程里，里程仪的测距误差具有累积特性；（2） 通过对目前捷联惯导/里程仪组合导航系统方案的调研分析可知，组合方案中的状态方程通常包括捷联惯导系统的速度误差、位置误差、姿态误差和里程仪的刻度系数误差；观测方程中，以
3、捷联惯导系统的航向为基准，对里程仪的测量信息进行分析，作为基准值进行Kalman滤波。但由于捷联惯导系统的航向误差具有累积特性，加上里程仪误差随里程数增加，这会造成组合导航系统的观测量也随时间增加，无法实现高精度导航定位的问题。通过对组合导航方案的初步分析以及国内外针对捷联惯导/里程仪组合中采用的相关技术，提出的初步组合导航方案如图1所示：图1 捷联惯导/里程仪组合导航方案示意图设计方案实现的基本步骤如下：（1） 利用里程仪误差与时间无关的特性，首先在静基座条件下利用计程仪的输出作为观测量对捷联惯导系统进行零速校正；（2） 惯导系系统完成零速校正后，使运载体在短时间内作加速运动，而由于其具有短
4、时间内精度保持能力强的特性，利用惯导系统输出作为观测量估计里程仪刻度系数误差，对里程仪进行校正；（3） 里程仪完成校正后，考虑到里程仪需采用捷联惯导系统的航向分解里程信息，因此在静基座条件下对惯导系统进行零速校正；（4） 里程仪和惯导系统完成误差修正后，进行组合导航；（5） 运行1000米后，转入步骤（3），对惯导系统进行零速校正后，再进行组合导航。三、仿真分析3.1 仿真初始条件（1） 捷联惯导系统仿真初始条件在完成惯导系统零速校正后，惯导系统的航向误差、位置误差和速度误差基本可以忽略，因此仅考虑陀螺漂移和加速度计零偏两个主要误差源：（2） 里程仪仿真初始条件：按设计要求和贵公司给出的里程仪
5、指标，给定里程仪0.4米/1000米的测量误差(不考虑滑行误差和打滑误差)，即刻度系数误差为0.4%。在里程仪刻度系数误差修正后，刻度系数误差中90%被估计和补偿.3.2 仿真图形（1） 捷联惯导系统误差输出 （a） 纬度误差 （b） 经度误差 （c） 北速误差 （d） 东速误差 （c） 北速误差 （d） 东速误差图2 误差源激励下的捷联惯导误差传播特性（2） 里程仪输出 （a） 里程仪输出 （b） 里程仪误差图3 里程仪输出及误差特性（3） 捷联惯导/里程仪组合导航误差特性 （a） 纬度误差 （b） 经度误差图4 捷联惯导/里程仪组合导航误差特性四、结论通过对仿真结果的分析，建议采用上述提出的捷联惯导系统/里程仪组合导航方案，并要求陀螺仪指标优于0.03/h，加速度计满足150ug。注：在仿真分析过程中，我们对采用其他精度陀螺仪也进行了相应的仿真，在陀螺仪精度高于0.05/h时，也基本能满足精度要求，但由于航向误差积累较快，因此组合导航系统的定位精度增长速度也较快。
