CN101949710B - Gnss辅助mems惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法 - Google Patents

Abstract

一种GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，所述MEMS惯性传感器包括构成MEMS惯性测量单元的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪；在GNSS/MEMS INS组合导航系统中，通过在线对比由GNSS推导得到的总比力的模和MEMS加速度计输出得到的总比力的模，来实时标定加速度计的零偏；通过使用GNSS测量的速度信息，在线推导得出姿态信息并添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，来实时标定陀螺仪的零偏。本发明优势在于不受载体运动状态限制，计算量小，实时性强，可以快速完成惯性传感器零偏的在线动态标定，有助于实现GNSS/MEMS INS组合系统的快速启动及其批量化应用。

Description

GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是涉及全球卫星导航系统GNSS和基于MEMS的惯性导航系统（MEMS INS）相结合的组合导航系统中，GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，所述MEMS是指微机电系统，所述的MEMS惯性传感器包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪，构成组合导航系统的惯性测量单元；MEMS惯性传感器的测量误差主要由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的零偏误差决定，为消除MEMS惯性传感器的测量误差，对MEMS惯性传感器进行零偏标定是非常必要的。

背景技术

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。由惯性测量单元（InertialMeasurement Unit,IMU）为核心组成的惯性导航系统（Inertial Navigation System,INS）能够自主隐蔽地进行连续的三维空间导航与测姿，不存在信号的电磁干扰，能跟踪和反映运动载体的机动且输出平稳。将以上二者组合使用，可取长补短，发挥二者各自的优势，实现持续、高精度并导航信息完备的任务。GNSS与INS相结合的组合导航有诸多优点：INS在短时间内能够保持较高的精度，且由于其不受外界工作环境影响，可以补偿GNSS定位过程中产生的随机误差；同时，GNSS定位系统提供的绝对定位测速信息可以补偿INS随时间累积的误差，而保证长距离运行中的测量精度；短时间内INS的动态信息可以有助于改善GNSS高动态及有干扰环境中的信号失锁和跳变问题。

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。MEMS惯性传感器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。

MEMS惯性传感器是MEMS IMU的核心部件，限于目前MEMS器件工艺制造水平，MEMS惯性传感器的测量误差主要由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的零偏误差决定。因此，对MEMS惯性传感器进行零偏标定是非常必要的。

传统的零偏标定方法是利用高精度转台离线采集数据信息，对MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的主要误差系数进行标定，转台标定方法虽然已经比较成熟，但存在以下缺点：第一，数学建模复杂，需要大量的离线数据样本；第二，仅能够对MEMS加速度计和陀螺仪的单次上电误差特性，如零偏稳定性，进行标定，而无法对历次开机误差的零偏进行标定；第三，需要利用专用测试设备、且对载体运动状态有特定要求，标定所需时间长、人力物力等成本高；第四，转台离线标定时的环境因素与实际在线使用时的环境因素（温度、湿度、安装误差、振动、电磁干扰等等）有出入，可能造成标定得出的参数不适用于使用环境；第五，随着库存时间的增加，MEMS加速度计和陀螺仪的标定参数将随时间发生漂移，MEMS INS的导航能力会下降。对于许多系统来说，重标定的成本太高，也不利于系统性能的维护和改善，更不利于系统响应的实时性和快速性。第六，使用传统方法标定后的INS在使用过程中，系统工作精度严重依赖于高性能的惯性器件误差的零偏重复性，然而MEMS惯性器件不具备优良的零偏重复特性。第七，传统的标定方法要求系统处于非动态环境的初始工作状态。综上所述，随着GNSS/MEMS组合导航系统应用的扩展，传统的标定手段（如要求初始静止状态）难以适用于日趋广泛的使用环境。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷和不足，提出一种GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其优势在于不受载体运动状态限制，计算量小，实时性强，可以快速完成惯性传感器零偏的在线动态标定，有助于实现GNSS/MEMS INS组合系统的快速启动及其批量化应用。所述MEMS是指微机电系统，所述MEMS惯性传感器是构成MEMS惯性测量单元的核心部件，包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪。

本发明的技术方案是：

一种GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，所述MEMS惯性传感器包括构成MEMS惯性测量单元的三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪；在GNSS/MEMS INS组合导航系统中，通过在线对比由GNSS推导得到的总比力的模和MEMS加速度计输出得到的总比力的模，来实时标定加速度计的零偏；通过使用GNSS测量的速度信息，在线推导得出姿态信息并添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，来实时标定陀螺仪的零偏；所述MEMS指微机电系统，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述MEMSINS指以MEMS惯性测量单元为核心组成的惯性导航系统；

所述由GNSS推导得到的总比力的模的算法如下：

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）的速率分别为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推导得出的前一时刻T_k-1总比力的模为

$f_{\mathrm{GNSS}}(k-1)=\sqrt{(a_{\mathrm{GNSS},e}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},n}^2(k-1)+a_{\mathrm{GNSS},u}^2(k-1))}+g,$ 其中，g为重力加速度；

所述MEMS加速度计输出得到的总比力的模由如下方法得到：

设MEMS加速度计当前时刻T_k三个正交方向（x,y,z）输出的比力值分别为f_IMU，x（k）,f_IMU，y(k),f_IMU，z(k),则MEMS加速度计输出的当前时刻T_k总比力的模为：

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

则所述加速度计的零偏为总加速度计的零偏δf(k)，δf(k)=f_IMU(k)-f_GNSS(k-1)；

所述GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻和前一时刻的航向角和俯仰角，算法如下：

设GNSS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）的速率分别为V_GNSS,i(k)和V_GNSS,i(k-1)，其中i=e,n,u，

则推导出当前时刻T_k载体航向角Hndg_GNSS(k)和俯仰角Ptch_GNSS(k)分别为：

Hndg_GNSS(k)=tan^-1(V_GNSS,e(k)/V_GNSS,n(k))

${\mathrm{Ptch}}_{\mathrm{GNSS}}\left(k\right)={\tan }^{-1}(V_{\mathrm{GNSS},u}\left(k\right)/\sqrt{V_{\mathrm{GNSS},e}^2\left(k\right)+V_{\mathrm{GNSS},n}^2\left(k\right)})$

前一时刻T_k-1载体航向角Hndg_GNSS(k-1)和俯仰角Ptch_GNSS(k-1)分别为：Hndg_GNSS(k-1)=tan^-1(V_GNSS,e(k-1)/V_GNSS,n(k-1))

${\mathrm{Ptch}}_{\mathrm{GNSS}}(k-1)={\tan }^{-1}(V_{\mathrm{GNSS},u}(k-1)/\sqrt{V_{\mathrm{GNSS},e}^2(k-1)+V_{\mathrm{GNSS},n}^2(k-1)});$

所述添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，是指根据载体当前时刻和前一时刻的航向角和俯仰角的信息，判断载体是否处于匀速或近似匀速直线运动状态或静止状态；

所述陀螺仪的零偏为三个相互正交的MEMS陀螺仪的各轴零偏，采用以下方法对MEMS陀螺仪各轴零偏进行在线标定：

当T_k时刻载体处于匀速或近似匀速直线运动或静止状态时，则陀螺仪角速度输出量的模为：

$w_{\mathrm{IMU}}\left(k\right)=\sqrt{\mathrm{\δ}{w}_x^2\left(k\right)+\mathrm{\δ}{w}_y^2\left(k\right)+\mathrm{\δ}{w}_z^2\left(k\right)}+{\mathrm{\ω}}_e$

其中δw_i(k)为MEMS陀螺仪各轴零偏，其中i=x,y,z；ω_e为地球自转角速度，其中按1天为24小时计算；当各轴零偏相等时，则可求得MEMS陀螺仪各轴零偏为

$\mathrm{\δ}{w}_i=(w_{\mathrm{IMU},i}\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_e)/3,i=x,y,z.$

当三个相互正交的各轴的加速度计零偏均等时，三个相互正交的MEMS加速度计的零偏分别为δf_i=δf(k)/3，i=x,y,z。

经零偏补偿后的各轴加速度计的比力输出

i=x,y,z为当前时刻的加速度计比力值。

当MEMS陀螺仪的噪声水平高于地球自转角速度时，则不必考虑ω_e，此种情况下，所述陀螺仪各轴零偏为，

经零偏补偿后的陀螺仪角速度输出

i＝x,y,z为当前时刻陀螺仪的角速度输出。

本发明的技术效果：

本发明所设计的方法其优势在于不受载体运动状态限制，计算量小，简单易行，实时性强，可以快速完成惯性传感器的在线动态标定。

附图说明

图1为GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法的流程图。

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GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，所述MEMS惯性传感器包括构成MEMS惯性测量单元的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪；在GNSS/MEMS INS组合导航系统中，通过在线对比由GNSS推导得到的总比力的模和MEMS加速度计输出得到的总比力的模，来实时标定加速度计的零偏；通过使用GNSS测量的速度信息，在线推导得出的姿态信息并添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，来实时标定陀螺仪的零偏；所述MEMS指微机电系统，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述MEMS INS指以MEMS惯性测量单元为核心组成的惯性导航系统。

如图1所示，MEMS IMU指MEMS惯性测量单元，本发明所涉及的MEMS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；GNSS指全球卫星导航系统。

设GNSS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）的速率分别为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推导得出的前一时刻总比力的模为

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

其中，g为重力加速度。

而当前时刻MEMS加速度计输出的总比力的模为

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

其中f_IMU，x（k）,f_IMU，y(k),f_IMU，z(k)分别为MEMS加速度计当前时刻T_k三个正交方向（x,y,z）输出的比力值。

定义总加速度计零偏为

δf(k)=f_IMU(k)-f_GNSS(k-1)

假设各轴加速度计零偏均等，则各轴加速度计零偏为

δf_i=δf(k)/3，i=x,y,z

则经零偏补偿后的加速度计比力输出

${\tilde{f}}_i\left(k\right)=f_{\mathrm{IMU},i}\left(k\right)-\mathrm{\δ}{f}_i,i=x,y,z$

作为当前时刻的加速度计比力值。

同时，由GNSS在T_k时刻的速度可推导出T_k时刻载体航向角Hndg_GNSS(k)和俯仰角Ptch_GNSS(k)分别为：

Hndg_GNSS(k)=tan^-1(V_GNSS,e(k)/V_GNSS,n(k))

${\mathrm{Ptch}}_{\mathrm{GNSS}}\left(k\right)={\tan }^{-1}(V_{\mathrm{GNSS},u}\left(k\right)/\sqrt{V_{\mathrm{GNSS},e}^2\left(k\right)+V_{\mathrm{GNSS},n}^2\left(k\right)})$

同理可以求得T_k-1时刻载体的航向角Hndg_GNSS(k-1)和俯仰角Ptch_GNSS(k-1)。根据两个时刻GNSS的运动信息可以判断载体是否处于近似匀速直线运动或静止状态。以精度低于50°/hr的GNSS/MEMS INS组合导航系统为例，如果载体航向角角速率和俯仰角角速率小于等于0.1°/s，且加速度小于等于0.05m/s²时，则认为载体处于近似匀速直线运动或静止状态。此时，采用以下方法对陀螺进行在线标定：

假设经过判断，T_k时刻载体处于近似匀速直线运动或静止状态，则陀螺仪角速度输出量的模为：

$w_{\mathrm{IMU}}\left(k\right)=\sqrt{\mathrm{\δ}{w}_x^2\left(k\right)+\mathrm{\δ}{w}_y^2\left(k\right)+\mathrm{\δ}{w}_z^2\left(k\right)}+{\mathrm{\ω}}_e$

其中δw_i(k),i＝x,y,z为陀螺仪各轴零偏，ω_e为地球自转角速度（按1天为24小时计算）。假设各轴零偏相等，则可求得陀螺零偏为：

$\mathrm{\δ}{w}_i=(w_{\mathrm{IMU},i}\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_e)/3,i=x,y,z$

需要补充说明的是，若MEMS陀螺仪的噪声水平高于地球自转角速度，则不必考虑ω_e，此种情况下，陀螺零偏为：

${\mathrm{\δw}}_i=w_{\mathrm{IMU},i}\left(k\right)/3$

则经零偏补偿后的陀螺角速度输出

${\tilde{w}}_i\left(k\right)=w_{\mathrm{IMU},i}\left(k\right)-\mathrm{\δ}{w}_i,i=x,y,z$

作为当前时刻陀螺仪的角速度输出。

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 (5)

1.一种GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，所述MEMS惯性传感器包括构成MEMS惯性测量单元的三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪；在GNSS/MEMS INS组合导航系统中，通过在线对比由GNSS推导得到的总比力的模和MEMS加速度计输出得到的总比力的模，来实时标定加速度计的零偏；通过使用GNSS测量的速度信息，在线推导得出姿态信息并添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，来实时标定陀螺仪的零偏；所述MEMS指微机电系统，所述GNSS指全球卫星导航系统，所述MEMS INS指以MEMS惯性测量单元为核心组成的惯性导航系统；

所述由GNSS推导得到的总比力的模的算法如下：

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）的速率分别为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

那么由GNSS推导得出的前一时刻T_k-1总比力的模为

其中，g为重力加速度；

所述MEMS加速度计输出得到的总比力的模由如下方法得到：

设MEMS加速度计当前时刻T_k三个正交方向（x,y,z）输出的比力值分别为f_IMU，x（k）,f_IMU，y(k),f_IMU，z(k),则MEMS加速度计输出的当前时刻T_k总比力的模为：

则所述加速度计的零偏为总加速度计的零偏δf(k)，δf(k)=f_IMU(k)-f_GNSS(k-1)；

所述GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻和前一时刻的航向角和俯仰角，算法如下：

设GNSS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）的速率分别为V_GNSS,i(k)和V_GNSS,i(k-1)，其中i=e,n,u，

则推导出当前时刻T_k载体航向角Hndg_GNSS(k)和俯仰角Ptch_GNSS(k)分别为：

Hndg_GNSS(k)=tan^-1(V_GNSS,e(k)/V_GNSS,n(k)) 

前一时刻T_k-1载体航向角Hndg_GNSS(k-1)和俯仰角Ptch_GNSS(k-1)分别为：

Hndg_GNSS(k-1)=tan^-1(V_GNSS,e(k-1)/V_GNSS,n(k-1))

所述添加匀速或近似匀速直线运动或静止的约束，是指根据载体当前时刻和前一时刻的航向角和俯仰角的信息，判断载体是否处于匀速或近似匀速直线运动状态或静止状态；

所述陀螺仪的零偏为三个相互正交的MEMS陀螺仪的各轴零偏，采用以下方法对MEMS陀螺仪各轴零偏进行在线标定：

当T_k时刻载体处于 匀速或近似匀速直线运动或静止状态时，则陀螺仪角速度输出量的模为：

其中δw_i(k)为MEMS陀螺仪各轴零偏，其中i=x,y,z；ω_e为地球自转角速度，其中按1天为24小时计算；

当各轴零偏相等时，则可求得MEMS陀螺仪各轴零偏为：

2.根据权利要求1所述的GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，当三个相互正交的各轴的加速度计零偏均等时，三个相互正交的MEMS加速度计的零偏分别为δf_i=δf(k)/3，i＝x,y,z。

3.根据权利要求2所述的GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，经零偏补偿后的各轴加速度计的比力输出 

i＝x,y,z为当前时刻的加速度计比力值。

4.根据权利要求1所述的GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，当MEMS陀螺仪的噪声水平高于地球自转角速度时，则不必考虑ω_e，此种情况下，所述陀螺仪各轴零偏为， 

5.根据权利要求4所述的GNSS辅助MEMS惯性传感器零偏的快速在线动态标定方法，其特征在于，经零偏补偿后的陀螺角速度输出 i=x,y,z为当前时刻陀螺仪的角速度输出。 

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