CN102506858A - 卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，所述惯性传感器包括相互正交一组的加速度计和相互正交一组陀螺仪，将所述惯性传感器安装于载体上时，使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值，本方法会自动快速识别出惯性传感器的正确轴向；简化了惯性传感器在载体上的安装方式，大大提高了组合导航系统的安装方式的简便性和易操作性。

Description

卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是涉及卫星导航系统和惯性导航系统相结合的组合导航系统中，一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法；所述惯性传感器包括加速度计和陀螺仪，所述卫星导航系统包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，中国的北斗系统，欧洲的GALILEO系统，以及以后可能出现的新的卫星导航系统。

背景技术

全球卫星导航系统能为全球用户提供全天候、连续实时、高精度的三维位置与三维速度信息，具有误差不随时间累积等优点，但也具有自主性差，容易受到干扰，接收机数据更新频率低等缺点，难以满足实时导航的要求。惯性导航系统(INS)由惯性传感器组成，包括陀螺仪及加速度计，通常由三轴陀螺仪及三轴加速度计组成六自由度的惯性导航系统，具有完全自主式、保密性强、不存在信号的电磁干扰、全天候、机动灵活、数据率高的特性，此外还可以输出载体的姿态信息。将惯性导航系统与全球卫星导航系统组合使用，则可充分发挥两者各自的优势、取长补短，完成较高精度的远程、长期的导航任务。

由于在惯性导航系统与全球卫星导航系统组合使用的组合导航系统中，惯性传感器对其在载体上的安装方向有要求，须满足惯性传感器安装的X轴向(横轴)、Y轴向(纵轴)、Z轴向(竖轴)与载体右向轴、前向轴、天向轴相一致，这样就限制了组合导航系统的惯性传感器的安装方式，也对用户的安装空间提出了要求，并可能导致占用较大的安装空间，降低了组合导航系统安装的简便性和易操作性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提出一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，只要满足惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，当载体由静止开始做加速运动时，本方法会自动快速识别出惯性传感器的正确轴向，简化了惯性传感器在载体上的安装方式，大大提高了组合导航系统的安装方式的简便性和易操作性。

本发明的技术方案是：

一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，所述惯性传感器包括相互正交的一组加速度计和相互正交的一组陀螺仪，其特征在于，将所述惯性传感器安装于载体上时，使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值，即可判断出惯性传感器的正确轴向；所述惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、纵轴、竖轴分别与载体的右向轴、前向轴、天向轴相一致。

所述惯性传感器为六自由度的惯性传感器，包括三个相互正交的陀螺仪和三个相互正交的加速度计，利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体静止或运动；载体静止时，找出三个轴向加速度计输出的绝对值最大的比力值并判断其是否与重力加速度值相当，判断出与载体天向轴一致的竖轴；载体由静止开始做加速运动时，通过比较由另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴；最后，通过右手定则确定与载体右向轴一致的横轴，即完成惯性传感器正确轴向的识别。

所述卫星导航系统输出的水平合速度是指

V_{BD_E}和V_{BD_N}分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值；当V_groundspeed＜V_zeropeed，判定此时载体静止；当V_groundspeed＞V_zerospeed，则判定载体由静止开始做加速运动，其中V_zerospeed为门限值，由经验值确定。

所述载体静止时，若加速度计输出的绝对值最大的比力值为正值，且绝对值与重力加速度值相当，则判断出比力输出值最大的轴向即为与载体天向轴一致的竖轴；若加速度计输出的绝对值最大的比力值为负值，且绝对值与重力加速度值相当，则判断出比力输出值最大的轴向的反向为与载体天向轴一致的竖轴。

所述载体由静止开始做加速运动时，比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值，速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为正值，则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为负值，则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。

所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为：

其中，X’、Y’、Z’表示识别后的正确轴向的横轴、纵轴、竖轴，X、Y、Z表示原始安装轴向的横轴、纵轴、竖轴，a、b、c、d、e、f、g、h、i为变换系数，取值分别为0或+1或-1；所述惯性传感器的原始安装轴向是指当所述惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行时，惯性传感器安装在载体上时横轴、纵轴、竖轴的原始指向。

所述惯性传感器为四自由度的惯性传感器，包括轴向分别与载体右向轴和前向轴平行的两个陀螺仪和两个加速度计，利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否开始运动；当载体由静止开始做加速运动时，通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴；再通过右手定则判定与载体右向轴一致的横轴，即完成惯性传感器正确轴向的识别。

所述载体由静止开始做加速运动时，比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值，速度绝对值较大者所在的轴向或其反向应为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为正值，则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为负值，则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。

所述卫星导航系统输出的水平合速度是指

V_{BD_E}和V_{BD_N}分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值；当V_groundspeed＞V_zerospeed，则判定载体由静止开始做加速运动，其中V_zerospeed为门限值，由经验值确定。

所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为：

X’＝aX+bY，Y’＝cX+dY

其中，X’、Y’表示正确轴向的横轴、纵轴，X、Y表示原始安装轴向的横轴、纵轴，a、b、c、d为变换系数，取值为0或+1或-1。

本发明的技术效果：

本发明提出一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，只要满足惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体的右向轴、前向轴平行，通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值，本方法会自动快速识别出惯性传感器正确轴向；本发明的方法与现有技术相比，其优势在于简化了惯性传感器在载体上的安装方式，克服了现有技术的安装方式对惯性传感器轴向安装方向的限制，降低了对载体安装空间的要求，大大提高了组合导航系统的安装方式的简便性和易操作性，有助于实现组合导航系统的大量应用。

附图说明

图1为本发明惯性传感器轴向快速识别方法的流程示意图。

图2为本发明惯性传感器的安装轴向与正确轴向的变换关系示意图。

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。

如图1所示，为本发明惯性传感器轴向快速识别方法的流程示意图。本发明的方法，基于以下前提：1.载体前进的加速度不超过重力加速度G，2.不考虑系统在载体动态时上电的情况，3.惯性传感器轴向的安装满足右手定则。本发明所述的卫星导航系统包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，中国的北斗系统，欧洲的GALILEO系统，以及以后可能出现的新的卫星导航系统。一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，惯性传感器包括相互正交的一组加速度计和相互正交的一组陀螺仪，本实施例的惯性传感器为六自由度的惯性传感器，包括三个相互正交的陀螺仪和三个相互正交的加速度计；将所述惯性传感器安装于载体上时，使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值，即可判断出惯性传感器的正确轴向；惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、纵轴、竖轴分别与载体的右向轴、前向轴、天向轴相一致。具体的，根据卫星导航系统输出的东向速度值V_{BD_E}和北向速度值V_{BD_N}求得水平合速度

首先判断载体是静止还是运动，当V_groundspeed＜V_zerospeed，判定此时载体静止，其中V_zerospeed为门限值，由经验值确定，例如可取V_zerospeed＝1.Om/s；由惯性传感器得到三个轴向加速度计的原始比力输出值，此时，一个轴向的加速度计比力输出值的绝对值最大并应与重力加速度值G相当，另两个轴向的加速度计比力输出值应为零左右，通过对比三个轴向加速度计输出的比力值，找出绝对值最大的比力值并判断其是否与G相当，则可以判断出惯性传感器与载体天向轴一致的竖轴，即确定Z’轴；其次，利用卫星导航系统输出的水平合速度可以判断载体是否运动，当V_groundspeed＞V_zerospeed时，则判定载体由静止开始做加速运动，当载体由静止开始做加速运动时，前进方向的加速度大于侧向加速度，因此，通过另外两轴加速度计输出的比力值对时间积分，求得速度，通过比较这两个轴向的速度值即可判断出载体的前进方向，确定惯性传感器与载体前向轴一致的纵轴，即Y’轴；最后，根据已经确定的Z’轴和Y’轴，由右手定则确定与载体右向轴一致的横轴，即X’轴，完成惯性传感器正确轴向的识别。

如图2a、图2b所示，为本发明惯性传感器的原始安装轴向与识别出的正确轴向的变换关系示意图。惯性传感器的原始安装轴向是指惯性传感器安装于载体上时，使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行时，惯性传感器的横轴、纵轴、竖轴的原始指向。图2a为本发明惯性传感器的安装方式为Y轴、Z轴两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，而X轴朝上与载体天向轴同向时的情况，此时包括Y轴与载体前向轴同向或反向，或Z轴与载体前向轴同向或反向四种情况，图中X’、Y’、Z’表示识别后的与载体右向轴、前向轴、天向轴相一致的正确轴向的横轴、纵轴、竖轴，X、Y、Z表示原始安装的横轴、纵轴、竖轴。以图2a中左数第一图为例，当X轴朝上，Y轴朝前时，在此种安装情况下，用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否静止，静止时，V_groundspeed＜V_zerospeed，此时X轴的加速度计输出的比力值最大，|f|_max＝|f_x|，且|f_x|与重力加速度值相当，并且X轴朝上时比力输出值为正，则确定X轴即为Z’轴，即Z’＝X，(若X轴朝下，比力输出值最大，但为负值，则X轴的反向为Z’轴，即Z’＝-X)；再用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否由静止开始做加速运动，当V_groundspeed＞V_zerospeed则认为载体开始加速运动，将Y、Z两轴加速度计输出的比力值进行积分求出Y、Z两轴轴向速度：

此时对比V_y和V_z，可判断出Y向速度值较大且为正值，则确定Y轴为Y’轴，即Y’＝Y(同样道理，若Y轴朝后，则Y向速度值较大但为负值，则确定Y轴的反向为Y’轴，即Y’＝-Y)；最后，根据右手定则，则确定Z轴为X’轴，当X轴朝上，Y轴朝前时，Z轴朝左，与载体右向轴一致的X’轴指向相反，即X’＝-Z；此时即确定了惯性传感器新旧轴的变换方案为：X’＝-Z，Y’＝Y，Z’＝X，按照此变换方式，把原始安装轴向变换为新的正确轴向，变换后的陀螺仪和加速度计的输出为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{acc}\_X^{\′}=-\mathrm{acc}\_Z\\ \mathrm{acc}\_Y^{\′}=\mathrm{acc}\_Y\\ \mathrm{acc}\_Z^{\′}=\mathrm{acc}\_X\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{gyro}\_X^{\′}=-\mathrm{gyro}\_Z\\ \mathrm{gyro}\_Y^{\′}=\mathrm{gyro}\_Y\\ \mathrm{gyro}\_Z^{\′}=\mathrm{gyro}\_X\end{array}\right..$

如图2b所示，为惯性传感器的安装方式为Y轴、Z轴两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，而X轴朝下与载体天向轴反向时的情况，此时也包括Y轴与载体前向轴同向或反向，或Z轴与载体前向轴同向或反向四种情况。以此类推，本发明的惯性传感器的安装方式包括X朝上或朝下、Y朝上或朝下、Z轴朝上或朝下这6种可能性，而每一种可能性又包括剩余两个轴分别朝前或朝后，又有4种可能性，因此总共有24种可能的安装方式，则惯性传感器原始安装轴向与识别出的正确轴向的变换方案可以用以下通用公式表示为：

其中a、b、c、d、e、f、g、h、i为9个系数，取值可能为0、+1、-1。其中，X’、Y’、Z’表示正确轴向的横轴、纵轴、竖轴，X、Y、Z表示原始安装轴向的横轴、纵轴、竖轴，a、b、c、d、e、f、g、h、i为变换系数，取值为0或+1或-1。例如当原始安装轴向为X轴朝右、Y轴朝前、Z轴朝上时，则X’＝X，Y’＝Y，Z’＝Z，a＝1，e＝1，i＝1，而b、c、d、f、g、h均为0；而当原始安装轴向为X轴朝左、Y轴朝后、Z轴朝上时，则X’＝-X，Y’＝-Y，Z’＝Z，a＝-1，e＝-1，i＝1，b、c、d、f、g、h均为0。

在一些地面车载导航等应用上，由于高度基本为地面高度，变化不大，可采用简化方案，为四自由度的惯性传感器，包括分别与载体右向轴和前向轴平行的两个陀螺仪和两个加速度计，利用卫星导航系统输出的水平合速度

判断载体是否开始运动，当V_groundspeed＞V_zerospeed，载体由静止开始做加速运动，其中V_zerospeed为门限值，由经验值确定；此时通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴；则满足右手定则的另一轴即为与载体右向轴一致的横轴，即完成惯性传感器正确轴向的识别。载体由静止开始做加速运动时，比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值，速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为正值，则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为负值，则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。这时惯性传感器的安装方式包括4种可能的安装方式，包括X轴朝前或朝后，或Y轴朝前或朝后四种情况，惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为：

X’＝aX+bY，Y’＝cX+dY

其中，X’、Y’表示正确轴向的横轴、纵轴，X、Y表示原始安装轴向的横轴、纵轴，a、b、c、d为变换系数，取值为0或+1或-1。

Claims (10)

1.一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，所述惯性传感器包括相互正交的一组加速度计和相互正交的一组陀螺仪，其特征在于，将所述惯性传感器安装于载体上时，使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行，通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值，即可判断出惯性传感器的正确轴向；所述惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、纵轴、竖轴分别与载体的右向轴、前向轴、天向轴相一致。

2.根据权利要求1所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述惯性传感器为六自由度的惯性传感器，包括三个相互正交的陀螺仪和三个相互正交的加速度计，利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体静止或运动；载体静止时，找出三个轴向加速度计输出的绝对值最大的比力值并判断其是否与重力加速度值相当，判断出与载体天向轴一致的竖轴；载体由静止开始做加速运动时，通过比较由另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴；最后，通过右手定则确定与载体右向轴一致的横轴，即完成惯性传感器正确轴向的识别。

3.根据权利要求2所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述卫星导航系统输出的水平合速度是指

V_{BD_E}和V_{BD_N}分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值；当V_groundspeed＜V_zeropeed，判定此时载体静止；当V_groundspeed＞V_zeropeed，则判定载体由静止开始做加速运动，其中V_zeropeed为门限值，由经验值确定。

4.根据权利要求3所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述载体静止时，若加速度计输出的绝对值最大的比力值为正值，且绝对值与重力加速度值相当，则判断出比力输出值最大的轴向即为与载体天向轴一致的竖轴；若加速度计输出的绝对值最大的比力值为负值，且绝对值与重力加速度值相当，则判断出比力输出值最大的轴向的反向为与载体天向轴一致的竖轴。

5.根据权利要求4所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述载体由静止开始做加速运动时，比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值，速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为正值，则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为负值，则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。

6.根据权利要求5所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为：

其中，X’、Y’、Z’表示正确轴向的横轴、纵轴、竖轴，X、Y、Z表示原始安装轴向的横轴、纵轴、竖轴，a、b、c、d、e、f、g、h、i为变换系数，取值为0或+1或-1；所述惯性传感器的原始安装轴向是指当所述惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行时，惯性传感器安装在载体上时横轴、纵轴、竖轴的原始指向。

7.根据权利要求1所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述惯性传感器为四自由度的惯性传感器，包括轴向分别与载体右向轴和前向轴平行的两个陀螺仪和两个加速度计，利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否开始运动；当载体由静止开始做加速运动时，通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴；再通过右手定则判定与载体右向轴一致的横轴，即完成惯性传感器正确轴向的识别。

8.根据权利要求7所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述载体由静止开始做加速运动时，比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值，速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为正值，则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴；若求得的速度值为负值，则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。

9.根据权利要求8所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述卫星导航系统输出的水平合速度是指V_{BD_E}和V_{BD_N}分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值；当V_groundspeed＞V_zerospeed，则判定载体由静止开始做加速运动，其中V_zerospeed为门限值，由经验值确定。

10.根据权利要求9所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法，其特征在于，所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为：

X’＝aX+bY，Y’＝cX+dY

其中，X’、Y’表示正确轴向的横轴、纵轴，X、Y表示原始安装轴向的横轴、纵轴，a、b、c、d为变换系数，取值为0或+1或-1。

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