CN101949702B - 使用mems加速度计的gnss pvt质量快速自检方法 - Google Patents

Abstract

一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，根据当前时刻和前一时刻对由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模和由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值；将所述模差值与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波。本发明所设计的方法其优势在于计算量小，简单易行，实时性强，可以快速剔除粗差，抑制粗差对GNSS定位造成的不利影响，完成组合系统中PVT的质量自检。

Description

使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，通过对GNSS和MEMS加速度计所得加速度的模求差，对所得差值进行积分，并与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围比较，对GNSS定位结果进行判断和辨识，进而剔除定位粗差，实现PVT质量的快速自检。所述MEMS是指微型机电系统，所述MEMS加速度计是指基于MEMS技术制造的加速度计，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述GNSS PVT是指全球卫星导航系统经过定位解算得到的位置、速度和时间等定位信息。

背景技术

微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical System)是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，集微型传感器、执行器、信号处理与控制电路、接口电路、通信和电源一体的微型机电系统。MEMS IMU是基于MEMS技术的惯性测量单元，它集成了硅微加速度计和硅微陀螺仪这两种惯性传感器，用于测量运动载体的线加速度和旋转角速度。由于采用了微机电系统技术，MEMS惯性传感器既继承了传统惯性传感器的完全自主性、保密性强、不存在信号的电磁干扰等特点，又具有尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高、动态范围宽和便于安装调试等传统惯性传感器无法比拟的优点。由其构成的MEMS测量单元逐步取代传统的惯性传感器，构建微型、成本低的组合导航系统已成为导航技术发展的热点和重点。

全球卫星导航系统GNSS(Global Navigation Satellite System)能为全球用户提供全天候、连续实时、高精度的三维位置、三维速度和时间基准，具有误差不随时间累积的优点。但其导航信息更新速率低，且易受外部源的干扰而导致定位信号的中断。惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)，则是利用安装在载体上的惯性测量装置(如加速度计和陀螺仪等)测量载体的运动，输出载体的姿态和位置信息，INS系统完全自主，保密性强，并且机动灵活，但是存在误差随时间迅速积累的问题。利用MEMS INS和GNSS这二者较强的非相似性和互补性，将MEMS INS与GNSS组合使用，则可充分发挥两者各自的优势、取长补短，构建精度高、可靠性好的组合导航系统，完成较高精度的远程、长期导航任务。

组合导航系统的性能依赖于GNSS的信号质量。但是由于GNSS信号易受卫星分布、环境遮挡、多路径、干扰信号等影响，导致PVT结果发生跳变而出现粗差，使其定位数据可靠性和可用性下降。当粗差作为外部观测量引入到组合滤波系统中，将会对系统精度产生很大的影响，也会使滤波系统发散，影响导航数据的定位结果。因此，为了保证组合导航结果不受上述问题影响，有必要在组合滤波之前进行GNSS PVT质量的检测，以剔除观测量粗差。

传统的粗差检测方法是利用GNSS滤波器中的协方差阵元素的统计特性，通过统计决策来判别是否出现了粗差，并在GNSS/INS组合卡尔曼滤波器中，通过加权GNSS观测噪声的方法对粗差点时刻进行滤波修正。但是常规的卡尔曼滤波结果会随着粗差的变化而发生跳变，随后引起振荡。另一种基于卡尔曼滤波的自适应粗差剔除方法是利用滤波器观测信息进行增益矩阵的自适应控制，可以实现对动态数据粗差的判断并剔除，避免了振荡，保证输出平滑。但是以上所述的粗差剔除方法都需要利用GNSS估计误差以及组合导航系统残差序列的统计特性，过程复杂，计算量大，具有一定的局限性，而且无法避免滤波器的发散问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷和不足，提供一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，与现有技术相比，其优势在于无需考虑GNSS滤波器协方差的统计特性，计算量小，简单易行，实时性强，可以抑制粗差对GNSS定位造成的不利影响。所述MEMS指微型机电系统，所述MEMS加速度计是指基于MEMS技术制造的加速度计，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述GNSS PVT是指全球卫星导航系统经过定位解算得到的位置、速度和时间等定位信息。

本发明的技术方案是：

一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，根据当前时刻和前一时刻对由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模和由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值；对所得的差值进行积分，将积分得出的动态误差值与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波，无需考虑GNSS滤波器协方差的统计特性；所述MEMS指微型机电系统，所述MEMS加速度计是指基于MEMS技术制造的加速度计，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述GNSS PVT是指全球卫星导航系统经过定位解算得到的位置、速度和时间的定位信息；所述MEMS INS指基于MEMS技术的惯性导航系统，它集成了硅微加速度计和硅微陀螺仪这两种惯性传感器。

所述MEMS INS由三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪构成，分别用于测量载体的线加速度和角速度。

所述由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模是GNSS总加速度的模，算法如下：设GNSS当前时刻T_k与前一时刻T_k-1输出的三个方向e，n，u(东北天)的速度值为别为V_GNSS，i(k)和V_GNSS，i(k-1)，其中i＝e，n，u，则计算前一时刻T_k-1三个方向的加速度值为：

$a_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)=\frac{V_{\mathrm{GNSS},i}\left(k\right)-V_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)}{T_k-T_{k-1}},i=e,n,u;$

那么由GNSS推导得出的总加速度的模为

$a_{\mathrm{GNSS}}(k-1)=\sqrt{(a_{\mathrm{GNSS},e}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},n}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},u}^2(k-1))};$

所述由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模的方法如下：使用MEMS加速度计，测得在前一时刻T_k-1三个正交方向(x，y，z)输出的比力值分别为f_IMU，x(k-1)，f_IMU，y(k-1)，f_IMU，z(k-1)，则前一时刻T_k-1MEMS加速度计输出的总比力的模为：

$f_{\mathrm{IMU}}(k-1)=\sqrt{(f_{\mathrm{IMU},x}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},y}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},z}^2(k-1))};$

那么由MEMS加速度计测量出的总加速度的模a_IMU由下式进行计算：

a_IMU(k-1)＝f_IMU(k-1)-g；其中，g为重力加速度。

所述GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值即为GNSS和MEMS总加速度的模差值，由下式进行计算：

δa＝a_IMU(k-1)-a_GNSS(k-1)。

对所述GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值即为GNSS和MEMS总加速度的模差值在当前时刻T_k与前一时刻T_k-1之间积分计算：

$\mathrm{\δv}=\underset{T_{k-1}}{\overset{T_k}{\∫}}\mathrm{\δa}\·\mathrm{dT}$

得到当前速度的动态误差；将当前速度的动态误差与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波。

所述预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围包括GNSS/MEMS INS组合系统噪声矩阵中各元素的动态范围，所述组合系统噪声矩阵中各元素的动态范围即为速度随机游走。

采用6σ统计准则对所述速度的动态误差值与速度随机游走进行比较。

本发明的技术效果：

本发明所设计的方法其优势在于无需考虑各种滤波误差的统计特性，计算量小，简单易行，实时性强，可以快速剔除粗差，抑制粗差对滤波造成的影响，完成组合系统中PVT的质量自检。

附图说明

图1为使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，根据当前时刻和前一时刻对由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模和由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值；对所得的差值进行积分，将积分得出的动态误差值与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波，无需考虑GNSS滤波器协方差的统计特性；所述MEMS指微型机电系统，所述MEMS加速度计是指基于MEMS技术制造的加速度计，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述GNSS PVT是指全球卫星导航系统经过定位解算得到的位置、速度和时间的定位信息；所述MEMS INS指基于MEMS技术的惯性导航系统，它集成了硅微加速度计和硅微陀螺仪这两种惯性传感器。

MEMS INS的惯性测量单元由三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪构成，分别用于测量载体的线加速度和角速度。

参见图1，使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法的流程，包括以下步骤：使用MEMS加速度计测量得到某一时刻加速度的模；根据GNSS PVT解算输出的速度值，计算某一时刻加速度的模；对由MEMS加速度计测量到的总加速度的模和由GNSS PVT计算得出的总加速度的模求差，然后对所得差值进行积分，得到GNSS PVT定位结果的速度动态误差；将上述积分得出的动态误差值与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出此范围，则剔除此时刻的PVT值，若未超出此范围，保留此时刻的PVT值参与组合滤波。

若T_k为当前时刻，使用MEMS加速度计，测得在前一时刻T_k-1三个正交方向(x，y，z)的比力值分别为f_IMU，x(k-1)，f_IMU，y(k-1)，f_IMU，z(k-1)，得到前一时刻MEMS加速度计输出的总比力的模为

$f_{\mathrm{IMU}}(k-1)=\sqrt{(f_{\mathrm{IMU},x}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},y}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},z}^2(k-1))};$

那么由MEMS估计出的总加速度的模a_IMU可由下式进行计算

a_IMU(k-1)＝f_IMU(k-1)-g；其中，g为重力加速度。

设GNSS经过PVT解算，得到当前T_k时刻与前一时刻T_k-1输出的三个方向e，n，u(东北天)的速度值为别为V_GNSS，i(k)和V_GNSS，i(k-1)，其中i＝e，n，u，则计算前一时刻三个方向的加速度值为

$a_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)=\frac{V_{\mathrm{GNSS},i}\left(k\right)-V_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)}{T_k-T_{k-1}},i=e,n,u$

那么由GNSS推导得出的总加速度的模为

$a_{\mathrm{GNSS}}(k-1)=\sqrt{(a_{\mathrm{GNSS},e}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},n}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},u}^2(k-1))}$

由MEMS加速度计测量到的总加速度的模和GNSS计算得出的总加速度的模求差，

δa＝a_IMU(k-1)-a_GNSS(k-1)

从而，速度动态误差为

$\mathrm{\δv}=\underset{T_{k-1}}{\overset{T_k}{\∫}}\mathrm{\δa}\·\mathrm{dT}.$

在GNSS/MEMS INS组合系统中，系统噪声矩阵反应了组合系统的动态特性，设定其中各元素的动态范围(即速度随机游走)，采用6σ统计准则对上述速度动态误差值与该动态范围进行比较，若超出该范围，则剔除此时刻的PVT值，否则将保留此时刻的PVT值，并参与组合滤波。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，根据当前时刻和前一时刻对由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模和由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值；对所得的差值进行积分，将积分得出的动态误差值与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波，无需考虑GNSS滤波器协方差的统计特性；所述MEMS指微型机电系统，所述MEMS加速度计是指基于MEMS技术制造的加速度计，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述GNSS PVT是指全球卫星导航系统经过定位解算得到的位置、速度和时间的定位信息；所述MEMS INS指基于MEMS技术的惯性导航系统，它集成了硅微加速度计和硅微陀螺仪这两种惯性传感器。

2.根据权利要求1所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，所述MEMS INS由三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪构成，分别用于测量载体的线加速度和角速度。

3.根据权利要求2所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，所述由GNSS推算得出的前一时刻加速度的模是GNSS总加速度的模，算法如下：设GNSS当前时刻T_k与前一时刻T_k-1输出的三个方向e，n，u(东北天)的速度值为别为V_GNSS，i(k)和V_GNSS，i(k-1)，其中i＝e，n，u，则计算前一时刻T_k-1三个方向的加速度值为：

$a_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)=\frac{V_{\mathrm{GNSS},i}\left(k\right)-V_{\mathrm{GNSS},i}(k-1)}{T_k-T_{k-1}},i=e,n,u;$

那么由GNSS推导得出的总加速度的模为

$a_{\mathrm{GNSS}}(k-1)=\sqrt{(a_{\mathrm{GNSS},e}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},n}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},u}^2(k-1))};$

所述由MEMS加速度计测量到的前一时刻加速度的模的方法如下：使用MEMS加速度计，测得在前一时刻T_k-1三个正交方向(x，y，z)输出的比力值分别为f_IMU，x(k-1)，f_IMU，y(k-1)，f_IMU，z(k-1)，则前一时刻T_k-1MEMS加速度计输出的总比力的模为：

$f_{\mathrm{IMU}}(k-1)=\sqrt{(f_{\mathrm{IMU},x}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},y}^2(k-1)+f_{\mathrm{IMU},z}^2(k-1))};$

那么由MEMS加速度计测量出的总加速度的模a_IMU由下式进行计算：

a_IMU(k-1)＝f_IMU(k-1)-g；其中，g为重力加速度。

4.根据权利要求3所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，所述GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值即为GNSS和MEMS总加速度的模差值，由下式进行计算：

δa＝a_IMU(k-1)-a_GNSS(k-1)。

5.根据权利要求4所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，对所述GNSS/MEMS INS组合系统中两者的加速度的模差值即为GNSS和MEMS总加速度的模差值在当前时刻T_k与前一时刻T_k-1之间积分计算：

$\mathrm{\δv}=\underset{T_{k-1}}{\overset{T_k}{\∫}}\mathrm{\δa}\·\mathrm{dT}$

得到当前速度的动态误差；将当前速度的动态误差与预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围进行比较，若超出动态范围，则剔除GNSS在当前时刻的PVT值，若未超出此范围，保留GNSS在当前时刻的PVT值参与组合滤波。

6.根据权利要求4所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，所述预先设定的组合系统加速度统计特性的动态范围包括GNSS/MEMS INS组合系统噪声矩阵中各元素的动态范围，所述组合系统噪声矩阵中各元素的动态范围即为速度随机游走。

7.根据权利要求6所述的使用MEMS加速度计的GNSS PVT质量快速自检方法，其特征在于，采用6σ统计准则对所述速度的动态误差值与速度随机游走进行比较。

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