无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28943

电子电气工程与控制

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无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法

赵靖¹(), 宋丹²

^1.中国交通通信信息中心，北京 100011
^2.北京航空航天大学卫星导航与移动通信融合技术实验室，北京 100191

收稿日期:2023-04-28 修回日期:2023-05-05 接受日期:2023-06-20 出版日期:2024-04-15 发布日期:2023-07-07
通讯作者: 赵靖 E-mail:zhaojing0070@163.com
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3904400)

Integrity monitoring method for GNSS/IMU integrated navigation system of UAV

Jing ZHAO¹(), Dan SONG²

^1.China Transport Telecommunications and Information Center，Beijing 100011，China
^2.Key Laboratory of Navigation and Communication Fusion Technology，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2023-04-28 Revised:2023-05-05 Accepted:2023-06-20 Online:2024-04-15 Published:2023-07-07
Contact: Jing ZHAO E-mail:zhaojing0070@163.com
Supported by:
National Key R&D Program of China(2022YFB3904400)

摘要/Abstract

摘要：

针对民用无人机组合导航系统中，全球导航卫星系统（GNSS）和惯性测量单元（IMU）均存在故障风险的情况，提出一种兼顾GNSS和IMU故障风险的组合导航系统完好性监测方法。该方法根据故障检测结果建立完好性风险模型，设计完好性风险需求分配方案并建立各故障模式的保护级反演模型，利用滤波新息表达过去历元故障偏差对定位误差的影响，解决故障起始历元和故障偏差取值未知的前提下保护级反演难题。典型无人机低空飞行作业场景下的仿真结果表明：该方法设计的保护级反演模型计算所得保护级可跟踪定位误差的变化趋势，对定位误差形成包络，从而保障组合导航系统的完好性。

关键词: 组合导航, 完好性监测, 完好性风险评估, 保护级, 无人机, 包络

Abstract:

Both Global Navigation Satellite System （GNSS） and Inertial Measurement Unit （IMU） failure risks should be considered for civil UAV integrity monitoring. An autonomous integrity monitoring method for the GNSS/IMU integrated navigation system is proposed considering the risks of both IMU and GNSS failures. According to fault detection results， an integrity risk model is established， an integrity risk demand allocation scheme is designed， and a protection level inversion model of each fault mode is established. Filter innovation is used to express the influence of past epoch fault deviation on positioning error， and the problem of protection level inversion is solved under the premise that the fault starting epoch and fault deviation are unknown. The results of simulation at typical UAV low-altitude flight scenarios show that the protection level of the proposed algorithm can track the changing trend of positioning errors and form a safety overbounding for positioning errors， thus ensuring the integrity of the integrated navigation system.

Key words: integrated navigation, integrity monitoring, integrity risk assessment, protection level, UAV, overbounding

中图分类号:

V241.62⁺5

赵靖, 宋丹. 无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328943-328943.

Jing ZHAO, Dan SONG. Integrity monitoring method for GNSS/IMU integrated navigation system of UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(7): 328943-328943.

图/表 14

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

表1

组合导航系统仿真场景参数

传感器	参数	数值
IMU（40 Hz）	常值漂移/偏差	陀螺仪： $12 (°) / h$ 加速度计：0.05 mg
	白噪声	陀螺仪： $0.004 ((°) / s) / H z$ 加速度计：120 $μ g / H z$
	先验故障概率	1×10^-3
GNSS（1 Hz）	星座	GPS
GNSS（1 Hz）	遮掩角/（ $°$ ）	10
	伪距观测噪声 $σ 0$ /m	4
	卫星先验故障概率	1×10^-5
	起始点位置	65°N， 145°E，高度 0 m
	采样时间段	2019.04.29 08：00：00~ 2019.04.30 08：15：00（UTC）

表1

表2

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 22

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

要求指标	数值
完好性要求/h	1×10^-7
水平告警限/m	40
垂直告警限/m	50
完好性监测可用性	99.9%

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Integrity monitoring method for GNSS/IMU integrated navigation system of UAV

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