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重力辅助惯性导航可观测度分析

万宏发 李姗姗 李新星 谭勖立 裴宪勇

万宏发,李姗姗,李新星,等. 重力辅助惯性导航可观测度分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2496-2508
引用本文: 万宏发,李姗姗,李新星,等. 重力辅助惯性导航可观测度分析[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(7):2496-2508
Wan H F,Li S S,Li X X,et al. Analysis of observable degree of gravity aided inertial navigation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2496-2508 (in Chinese)
Citation: Wan H F,Li S S,Li X X,et al. Analysis of observable degree of gravity aided inertial navigation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(7):2496-2508 (in Chinese)

重力辅助惯性导航可观测度分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0308
基金项目: 

国家自然科学基金(42174007,42204009)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:zzy_lily@sina.com

  • 中图分类号: P223.39

Analysis of observable degree of gravity aided inertial navigation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China (42174007,42204009)

More Information
  • 摘要:

    重力辅助惯性导航是水下潜器实现长期自主导航的重要技术,但重力异常观测与惯性导航状态参数之间存在复杂耦合关系,估计参数选取不当易导致滤波精度下降甚至发散。为明确不同导航状态参数的实时估计效能,围绕重力辅助惯性导航系统状态参数的可观测度开展建模、分析与验证研究。建立误差状态形式下的重力辅助惯性导航滤波模型,选取姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺零偏和加速度计零偏等13维状态参数,推导重力异常观测方程及其对各状态参数的偏导关系,明确观测矩阵与导航参数估计能力之间的联系。分别构建基于协方差矩阵、可观测性矩阵和李导数的可观测度分析模型,对不同方法的适用性和一致性进行比较。基于某海域水下潜器仿真航迹,分析不同状态参数可观测度随航行时间、重力场特征和机动方式的变化规律。实验结果表明,经度、纬度、东向速度和北向速度具有较高可观测度,是重力辅助惯性导航中较优的估计状态组合;陀螺和加速度计零偏可观测度较低,不宜直接作为主要反馈校正参数。在此基础上,进一步设计固定参数组合和基于可观测度阈值的动态参数组合进行滤波验证,结果显示:位置与水平速度联合估计可使导航定位精度提升42%,动态调整状态参数组合可进一步将导航定位精度提升5%。研究结果可为重力辅助惯性导航滤波状态选取、方程结构设计和机动条件下的反馈校正策略提供依据。

     

  • 图 1  仿真轨迹与DTU重力异常基准图

    Figure 1.  Simulated trajectory and DTU gravity anomaly reference map

    图 2  基于协方差矩阵的可观测度分析

    Figure 2.  Observable degree analysis based on covariance matrix

    图 3  基于可观测性矩阵的可观测度分析

    Figure 3.  Observable degree analysis based on observability matrix

    图 4  基于李导数的可观测度分析

    Figure 4.  Observable degree analysis based on Li derivatives

    图 5  水下潜器不同机动条件下的纬度、经度、东向速度和北向速度可观测度变化

    Figure 5.  Variations in the observable degree of latitude, longitude, eastward velocity and northward velocity of submarines under different maneuvering conditions

    表  1  仿真参数设置

    Table  1.   Parameter settings for simulation

    误差项 仪器 常值零偏 随机游走
    惯导误差项 陀螺仪(xyz轴) 0.002 (°)/h 0.001 (°)/$ \sqrt{\mathrm{h}} $
    加速度计(xyz轴) 1×10−4 m/s2 5×10−5 m/s2$ \sqrt{\mathrm{h}} $
    重力仪误差项 水平加速度计(xy轴) 5×10−4 m/s2 5×10−5 m/s2$ \sqrt{\mathrm{h}} $
    垂向加速度计(z轴) 3×10−5 m/s2 3×10−6 m/s2$ \sqrt{\mathrm{h}} $
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    表  2  基于协方差矩阵的可观测度统计

    Table  2.   Observable degree statistics based on covariance matrix

    状态量 可观测度
    平均值 最大值 最小值 中位数
    东向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{E}} $ 0.0049 4.9846 1.4776×10−4 0.0036
    北向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{N}} $ 0.0092 7.8214 2.7687×10−4 0.0081
    天向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{U}} $ 0.0044 5.2185 1.0591×10−4 0.0032
    东向速度$ v_{\mathrm{E}}^{\mathrm{n}} $ 0.0018 6.2523 2.0848×10−5 8.0415×10−4
    北向速度$ v_{\mathrm{N}}^{\mathrm{n}} $ 1.8075×10−4 1.0000 6.5245×10−6 8.2528×10−4
    纬度$ B $ 7.4772×10−4 1.0000 5.8775×10−6 3.5263×10−4
    经度$ L $ 0.0022 2.4058 1.3126×10−4 0.0015
    陀螺仪x轴零偏$ \varepsilon _{x}^{\mathrm{b}} $ 1.0596 10.5942 0.1060 0.9976
    陀螺仪y轴零偏$ \varepsilon _{y}^{\mathrm{b}} $ 1.2530 16.8246 0.1442 1.1144
    陀螺仪z轴零偏$ \varepsilon _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 1.1420 5.6585 0.0592 1.0954
    加速度计x轴零偏$ \nabla _{x}^{\mathrm{b}} $ 1.0000 1.0001 0.9983 1.0000
    加速度计y轴零偏$ \nabla _{y}^{\mathrm{b}} $ 1.0000 1.0000 0.9999 1.0000
    加速度计z轴零偏$ \nabla _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 1.0053 1.0185 0.9964 1.0056
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    表  3  基于可观测性矩阵的可观测度统计

    Table  3.   Observable degree statistics based on observability matrix

    状态量 可观测度
    平均值 最大值 最小值 中位数
    东向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{E}} $ 1.2744×10−8 2.3337×10−7 6.2341×10−17 4.1144×10−9
    北向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{N}} $ 1.1784×10−6 2.0072×10−5 4.1063×10−14 4.3412×10−7
    天向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{U}} $ 1.1534×10−16 1.1520×10−15 8.8048×10−24 1.0979×10−16
    东向速度$ v_{\mathrm{E}}^{\mathrm{n}} $ 0.0034 0.0739 4.2204×10−4 0.0020
    北向速度$ v_{\mathrm{N}}^{\mathrm{n}} $ 3.1137×10−5 8.6150×10−4 4.2506×10−10 1.2367×10−5
    纬度$ B $ 0.5921 1.0000 9.6551×10−8 0.6218
    经度$ L $ 0.6746 1.0000 4.8884×10−7 0.7832
    陀螺仪x轴零偏$ \varepsilon _{x}^{\mathrm{b}} $ 3.8221×10−8 1.6999×10−6 6.4954×10−17 3.7341×10−9
    陀螺仪y轴零偏$ \varepsilon _{y}^{\mathrm{b}} $ 1.6520×10−7 3.1238×10−5 2.0327×10−14 6.0601×10−8
    陀螺仪z轴零偏$ \varepsilon _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 8.4659×10−12 1.5003×10−9 4.5345×10−20 2.9569×10−12
    加速度计x轴零偏$ \nabla _{x}^{\mathrm{b}} $ 1.1639×10−7 2.0523×10−6 1.0053×10−15 3.9273×10−8
    加速度计y轴零偏$ \nabla _{y}^{\mathrm{b}} $ 6.1999×10−9 1.3457×10−7 7.2243×10−17 2.0275×10−9
    加速度计z轴零偏$ \nabla _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 5.7572×10−12 1.0471×10−9 2.6687×10−19 1.6857×10−12
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    表  4  基于李导数的可观测度统计

    Table  4.   Observability statistics based on Li derivative

    统计量 可观测度
    平均值 最大值 最小值 中位数
    东向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{E}} $ 1.6301×10−8 1.9703×10−7 2.5511×10−16 4.3433×10−9
    北向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{N}} $ 1.4254×10−6 1.6758×10−5 3.5771×10−14 3.6179×10−7
    天向姿态角$ {\phi }_{\mathrm{U}} $ 7.3240×10−14 5.5146×10−12 1.4287×10−22 2.6611×10−15
    东向速度$ v_{\mathrm{E}}^{\mathrm{n}} $ 0.0040 0.0557 4.7734×10−4 0.0020
    北向速度$ v_{\mathrm{N}}^{\mathrm{n}} $ 3.9321×10−5 6.2703×10−4 8.6948×10−10 1.4376×10−5
    纬度$ B $ 0.5947 1.0000 3.4716×10−7 0.6328
    经度$ L $ 0.6823 1.0000 8.6636×10−7 0.7743
    陀螺仪x轴零偏$ \varepsilon _{x}^{\mathrm{b}} $ 4.1122×10−8 7.6536×10−7 4.7488×10−16 4.0128×10−9
    陀螺仪y轴零偏$ \varepsilon _{y}^{\mathrm{b}} $ 1.9779×10−7 2.1788×10−6 2.2892×10−14 5.1383×10−8
    陀螺仪z轴零偏$ \varepsilon _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 1.0816×10−10 6.2871×10−9 2.0796×10−19 9.4292×10−12
    加速度计x轴零偏$ \nabla _{x}^{\mathrm{b}} $ 1.4133×10−7 1.7135×10−6 7.3289×10−16 3.4787×10−8
    加速度计y轴零偏$ \nabla _{y}^{\mathrm{b}} $ 6.9321×10−9 1.1884×10−7 3.4549×10−16 2.3215×10−9
    加速度计z轴零偏$ \nabla _{\textit{z}}^{\mathrm{b}} $ 4.8238×10−12 1.2353×10−9 5.5070×10−19 1.6667×10−12
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    表  5  不同状态量组合下的EKF算法精度对比

    Table  5.   Comparison of EKF algorithm accuracy under different combinations of state variables

    导航组合量 纬度均方
    误差/m
    经度均方
    误差/m
    东向速度
    均方误差/
    (m·s−2)
    北向速度
    均方误差/
    (m·s−2)
    纬度绝对
    平均
    误差/m
    经度绝对
    平均
    误差/m
    东向速度绝
    对平均误差/
    (m·s−2)
    北向速度绝
    对平均误差/
    (m·s−2)
    纬度绝对
    中误差/m
    经度绝对
    中误差/m
    东向速度
    绝对中误
    差/(m·s−2)
    北向速度
    绝对中误
    差/(m·s−2)
    纬度
    经度
    504.8552 340.3976 0.3607 0.2676 292.4308 229.4628 0.2899 0.2176 154.2716 146.3080 0.2516 0.2018
    纬度
    经度
    东向速度
    559.3040 397.0688 0.3504 0.2834 322.4332 223.7216 0.2006 0.2296 163.3464 101.8600 0.1071 0.1939
    纬度
    经度
    东向速度
    北向速度
    306.3208 171.3100 0.1054 0.2115 193.1636 117.9724 0.0841 0.1679 112.0460 69.0796 0.0696 0.1369
    (动态调整)
    纬度
    经度
    东向速度
    北向速度
    285.2080 172.2360 0.1059 0.2095 186.1260 120.5652 0.0833 0.1675 111.3052 70.3760 0.0673 0.1380
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-05-11
  • 录用日期:  2024-08-09
  • 网络出版日期:  2024-09-10
  • 整期出版日期:  2026-07-31

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