CN102662083B - 一种基于gps速度信息的加速度计标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，属于组合导航技术领域，包括：采集GPS测量系统和DR测量系统的测量数据；对GPS测量数据的可用性进行判断；采用最小二乘法对加速度计刻度因数和零偏误差进行估计；将得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行比较，判断是否更新；满足时间间隔后返回步骤二进行下一次标定。本发明利用GPS在信号接收良好，速度较高的直线运动段测量值精度高的特性，实现对加速度计的动态标定，能够定期更新加速度计的标定参数，降低因启动不同以及温度变化等造成的零偏变化对系统精度的影响，且实现简单，计算量小，结果可靠。

Description

一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法

技术领域

本发明属于组合导航技术领域，具体涉及一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，可有效、自适应地实现加速度计刻度因数及零偏误差的标定。

背景技术

DR测量系统采用陀螺仪与加速度计结合的方式，消除了常规方法利用陀螺仪与里程仪结合的方式所带来的里程仪测量误差，以及因坡路和轮胎变形导致的里程仪测量值与实际行驶距离不相符的问题。但是，加速度计作为重要的测量元件，测量的准确度直接影响着导航系统的精度。

目前国内组合导航技术领域对于加速度计的标定主要局限于基于转台的多位置实验实现标定，该方法对环境稳定性要求较高，而且标定时间长，需要多次反复实验才能获得加速度计的准确标定。针对于低精度惯性系统，国内相关领域专家提出了利用翻滚法对加速度计进行标定，该方法降低了对环境条件的要求，但对于加速度计安装误差等问题无法实现准确标定。在实际的组合导航系统，特别是GPS/DR组合导航系统中，加速度计的标定准确性还受到安装角度误差，环境温度特性以及每次启动的随机误差的影响，因此加速度计刻度因数以及加速度计零偏误差估计在系统运行过程中是不断变化的。单纯利用上述方法对加速度计标定无法满足系统动态特性的要求。因此，加速度计的动态标定问题已成为提高导航系统精度的重要问题。

发明内容

本发明的目的是解决加速度计在系统运行情况下零偏误差存在变化的问题，提出一种基于GPS速度信息的加速度计动态标定的方法。该方法基于载体在高速度、无转弯稳定运动的情况下GPS测量信息精度高，利用实时检测GPS速度测量值，来对加速度计的刻度因数以及零偏误差进行动态标定。

本发明的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，包括以下几个步骤：

步骤一：GPS采集模块和惯性测量组件分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量数据，包括GPS测量数据和DR测量数据，并进行时间对准；其中，GPS测量数据包括位置、航向和速度，DR测量系统包括加速度计加速度测量值和陀螺角速度。

步骤二：实时监控GPS测量数据，通过判定准则对GPS测量数据的可用性进行判断，若GPS测量系统出现一段连续且精度可用的速度数据，则存储该区间GPS速度作为可用GPS速度数据，具体包括以下几个步骤；

(1)当采集的GPS测量速度值大于等于速度阈值时，GPS测量数据可用：

v_GPS≥v_threshold

其中，v_GPS为GPS测量速度，v_threshold为速度阈值；

(2)当连续两时刻GPS测量系统输出的航向差的绝对值小于等于角度差阈值时，则GPS测量数据可用：ΔΨ|≤θ_threshold

其中，θ_threshold为角度差阈值，ΔΨ为连续两时刻GPS测量系统输出的航向差；

(3)GPS测量系统的DOP值在小于等于精度因子阈值时，GPS测量数据可用：

HDOP≤DOP_threshold

其中，DOP_threshold为精度因子阈值，HDOP为水平位置几何精度因子；

(4)利用双差分序列对GPS测量数据可用性进行判断，具体包括以下步骤：

a.获得DR测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{DR}}^N\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\cos \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{DR}}^E\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\sin \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；v(k-1)为k-1时刻卡尔曼滤波得到的速度值；a(k)为k-1～k时间段内加速度计加速度测量值；T为卡尔曼滤波周期；Ψ(k)为k时刻航向值，由上一时刻的卡尔曼滤波航向值加上k-1～k时间段陀螺仪测量的航向角变化量得到；

b.获得GPS测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^N(k-1)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^E\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^E(k-1)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；GPS^N(k)、GPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置、东向位置；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

c.获得GPS/DR双系统测量互差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^N\left(k\right)=\mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^N\left(k\right)\\ C^E\left(k\right)={\mathrm{\ΔGPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^E\left(k\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

d.获得双测量系统单历元互差分结果估计的测量系统GPS的观测噪声为：

C(k)＝[C^N(k)，C^E(k)]

${\hat{R}}_1\left(k\right)=\left(C\left(k\right)C{\left(k\right)}^T\right)/2$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C(k)为位置互差分向量；

为k时刻基于双测量系统单历元互差分的估计结果，C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；

e.设定观测噪声阈值，当利用双差分序列得到的观测噪声

小于等于观测噪声阈值R_threshold，则GPS测量速度量测值可用。

即

≤R_threshold

其中，R_threshold为观测噪声阈值；

(5)当全部满足上述四种判定准则的连续可用测量数据持续时间达到连续时间阈值时(上述四种判定准则的判定顺序可以改变，先后进行哪一中判定均可，但必须上述四种判定最终全部进行)，则该时间段GPS速度数据可用：

t≥t_threshold

其中，t_threshold为连续时间阈值。

步骤三：利用步骤二获得的可用GPS速度数据作差得到加速度数据，结合加速度计获得的加速度计加速度测量值，采用最小二乘法对加速度计刻度因数和零偏误差进行估计，具体包括以下几个步骤：

a.确定函数关系如下：

a_ireal＝K·a_i-a_bias

其中，a_ireal为i时刻加速度真值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K为加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏估计值；

b.将经步骤二得到的可用GPS速度数据作差得到加速度信息，作为加速度的参考数据，对GPS速度数据每隔3～10点求一次差值，求得结果除以相应的间隔点数得到相应时刻的加速度数值；

c.设定估计准则如下：

$J=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{iGPS}}-(K\·a_i-a_{\mathrm{bias}})]=\min$

其中，J为代价函数，Δv_iGPS为i-1～i时刻可用GPS速度测量值的差值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏估计值；m是用来进行最小二乘估计是所选用的连续可用的GPS速度数据个数，min表示使得代价函数J达到最小。

步骤四：将利用步骤三的最小二乘法得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值a_bias与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行比较，设定相应的判决条件以判断是否对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行更新，具体包括以下几个步骤；

将步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值分别与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值求差值，若得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值大于等于10％～20％，或得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值大于等于10％～20％，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均进行更新，将预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值更新为步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值；如果得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值小于10％～20％，且得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值小于10％～20％，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均不进行更新，预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均保持不变，完成一次加速度计标定；

步骤五：设定间隔时间T，在一次加速度计标定完成正常运行时间T后，返回步骤二，继续监控GPS测量数据，当再次出现满足步骤二要求的可用GPS速度数据，则将新得到的GPS速度数据利用步骤三的方法对加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行重新标定，并根据步骤四的判定准则判断是否需要对预设的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行更新，实现加速度计的动态标定。

通过上述方法，基于高精度的GPS速度测量值，结合加速度计直接输出值，利用最小二乘的方法，能够有效地实现加速度计的动态标定。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，利用GPS在信号接收良好，速度较高的直线运动段测量值精度高的特性，实现对加速度计的动态标定。

(2)本发明提出一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，能够定期更新加速度计的标定参数，降低了因启动不同以及温度变化等造成的零偏变化对系统精度的影响。

(3)本发明提出一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其实现简单，计算量小，结果可靠。

附图说明

图1是本发明提出一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法流程图；

图2a为实施例在100～150s时间段内，直接利用未进行动态标定的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图2b为实施例在100～150s时间段内，应用本发明的加速度计标定方法对加速度计进行动态标定时，利用补偿后的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图3a为实施例在200～250s时间段内，直接利用未进行动态标定的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图3b为实施例在200～250s时间段内，应用本发明的加速度计标定方法对加速度计进行动态标定，利用补偿后的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图4a为实施例在500～550s时间段内，直接利用未进行动态标定的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图4b为实施例在500～550s时间段内，应用本发明的加速度计标定方法对加速度计进行动态标定，利用补偿后的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图5a为实施例在650～700s时间段内，直接利用未进行动态标定的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图；

图5b为实施例在650～700s时间段内，应用本发明的加速度计标定方法对加速度计进行动态标定，利用补偿后的加速度计数据进行GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS输出的位置信息对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：GPS采集模块和惯性测量组件分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量数据，包括GPS测量数据和DR测量数据，并进行时间对准；其中，GPS测量数据包括位置、航向和速度，DR测量系统包括加速度计加速度测量值和陀螺角速度；

步骤二：实时监控GPS测量数据，通过判定准则对GPS测量数据的可用性进行判断，若GPS测量系统出现一段连续且精度可用的速度数据，则存储该区间GPS速度作为可用GPS速度数据，顺次进行以下各个判定过程，如果GPS测量数据满足以下各个判定准则的可用性标注，则该GPS测量数据可用，具体判定过程包括以下几个步骤；

(1)当载体运动速度达到速度阈值时，GPS测量速度精度较高。本发明中，当采集的GPS测量速度值大于等于该速度阈值时，则GPS测量数据可用。

即：v_GPS≥v_threshold

其中，v_GPS为GPS测量速度，v_threshold为速度阈值，取为10～20km/h。

(2)当载体运动出现拐弯时，GPS测量系统的测量数据往往是不准确的，因此无法作为标定加速度计的参考数据。本发明中，当连续两时刻GPS测量系统输出的航向差的绝对值小于等于角度差阈值时，认为GPS测量数据可用。

即：|ΔΨ|≤θ_threshold

其中，θ_threshold为角度差阈值，取为1～10度。ΔΨ为连续两时刻GPS测量系统输出的航向差。

(3)GPS测量系统的DOP值在一定程度上反映了GPS量测数据的准确度，DOP值小于等于精度因子阈值时，可认为GPS测量数据可用。

即：HDOP≤DOP_threshold

其中，DOP_threshold为精度因子阈值，取为2.0～3.0。HDOP为水平位置几何精度因子。

(4)利用双差分序列对GPS测量数据可用性进行判断，具体包括以下步骤：

a.获得DR测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{DR}}^N\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\cos \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{DR}}^E\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\sin \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；v(k-1)为k-1时刻卡尔曼滤波得到的速度值；a(k)为k-1～k时间段内加速度计加速度测量值；T为卡尔曼滤波周期；Ψ(k)为k时刻航向值，由上一时刻的卡尔曼滤波航向值加上k-1～k时间段陀螺仪测量的航向角变化量得到；

b.获得GPS测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^N(k-1)\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^E\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^E(k-1)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；GPS^N(k)、GPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置、东向位置；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

c.获得GPS/DR双系统测量互差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^N\left(k\right)=\mathrm{\Δ}{\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^N\left(k\right)\\ C^E\left(k\right)={\mathrm{\ΔGPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^E\left(k\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

d.获得双测量系统单历元互差分结果估计的测量系统GPS的观测噪声为：

C(k)＝[C^N(k)，C^E(k)]

${\hat{R}}_1\left(k\right)=\left(C\left(k\right)C{\left(k\right)}^T\right)/2$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C(k)为位置互差分向量；

为k时刻基于双测量系统单历元互差分的估计结果，即利用双差分序列得到的观测噪声。C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；

e.设定观测噪声阈值，当利用双差分序列得到的观测噪声小于等于观测噪声阈值R_threshold，则GPS测量速度量测值可用。

即 ${\hat{R}}_1\left(k\right)\≤R\_\mathrm{threshold}$

其中，R_threshold为观测噪声阈值，取值为10～50m²

(5)当满足上述四种判定准则的连续可用测量数据持续时间达到一定连续时间阈值时，则该时间段GPS速度数据可用。

即t≥t_threshold

其中，t_threshold为连续时间阈值，一般取为100～300s。

步骤三：利用步骤二获得的可用GPS速度数据作差得到加速度数据，结合加速度计获得的加速度计加速度测量值，采用最小二乘法对加速度计刻度因数和零偏误差进行估计，具体包括以下几个步骤；

利用步骤二判定得到的可用GPS速度数据及与其时刻相对应的加速度计加速度测量值，采用最小二乘法进行参数估计。具体步骤如下：

a.确定函数关系如下：

a_ireal＝K·a_i-a_bias

其中，a_ireal为i时刻加速度真值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K为加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏估计值。

b.将经步骤二得到的可用GPS速度数据作差得到加速度信息，作为加速度的参考数据。

由于相邻两点的可用GPS速度数据噪声特性相关性较大，故对GPS速度数据每隔3～10点求一次差值，求得结果除以相应的间隔点数得到相应时刻的加速度数值，能在一定程度上减小噪声干扰。

c.设定估计准则如下：

$J=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{iGPS}}-(K\·a_i-a_{\mathrm{bias}})]=\min$

其中，J为代价函数，Δv_iGPS为i-1～i时刻可用GPS速度测量值的差值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏估计值。m是用来进行最小二乘估计是所选用的连续可用的GPS速度数据个数，min表示使得代价函数J达到最小。

步骤四：将利用步骤三的最小二乘法得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值a_bias与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行比较，设定相应的判决条件以判断是否对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行更新，具体包括以下几个步骤；

将步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值分别与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值求差值，若得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值大于等于10％～20％，或得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值大于等于10％～20％，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均进行更新，将预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值更新为步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值。在进行紧随其后的下一次标定时，利用更新后的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值作为预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行比较。如果得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值小于10％～20％，且得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值小于10％～20％，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均不进行更新，即预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均保持不变，完成一次加速度计标定。其中进行第一次标定时，预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值为加速度计的原始加速度计刻度因数和原始加速度计零偏误差，为加速度计的标准物理参数。

步骤五：设定间隔时间T，T的取值根据运载体所在环境的恶劣程度不同差异较大，一般取值范围为10～60分钟，在一次加速度计标定完成正常运行时间T后，返回步骤二，继续监控GPS测量数据，当再次出现满足步骤二要求的可用GPS速度数据，则将新得到的GPS速度数据利用步骤三的方法对加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行重新标定，并根据步骤四的判定准则判断是否需要对预设的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行更新，从而实现加速度计的动态标定。

由于每次标定具有随机性，以及GPS系统运行一段时间后由于温度变化导致加速度计零偏值发生变化，因此对加速度计的标定需要进行动态分析。在GPS系统较为稳定运行的情况下，可选定间隔时间T，每次经过时间T，GPS系统就重新启动标定程序，对加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行新一轮的标定计算，当满足步骤四的需要更新的判定，就将的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值迭代为新计算的速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值，为下一次的标定做数据准备。

通过上述方法，基于高精度的GPS速度测量值，结合加速度计直接输出值，利用最小二乘的方法，能够有效地实现加速度计的动态标定。

实施例：

应用本发明提出的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，车辆的初始位置为：北向位置为4435267.969m，东向位置为524224.571m，速度为2.82722m/s，航向角为254.538°，陀螺角速度为0.25367°/s，前向加速度为0.04897m/s²，车辆运行时间为700s。

为了考察本发明加速度计动态标定的效果，在车辆运行过程中进行加速、减速、车辆转弯以及车辆掉头等行为，检测结果的正确性由GPS/DR组合滤波位置解算结果与GPS位置输出信息对比来验证。

如图2a和图2b，利用本发明对DR测量系统的加速度计标定后，在车辆运行的转弯段滤波效果有明显改善；如图3a和图3b，利用本发明对DR测量系统的加速度计标定后，在车辆平稳运行段滤波精度有所提高；如图4a和图4b，利用本发明对DR测量系统的加速度计标定后，车辆在GPS数据缺失较明显的运行段滤波精度有明显改善；如图5a和图5b，在车辆运行的掉头段滤波精度有所提高。

应用本发明提出的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，依据上述步骤，实施例中利用GPS速度信息所得到的加速度计动态标定参数值具有其物理意义。在将补偿后的加速度信息带入GPS/DR组合导航系统中进行滤波解算及DR递推解算的结果对比可以看出，标定结果信息准确。

Claims (7)

1.一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：GPS采集模块和惯性测量组件分别采集同一运载体的GPS测量系统和DR测量系统的测量数据，包括GPS测量数据和DR测量数据，并进行时间对准；其中，GPS测量数据包括位置、航向和速度，DR测量数据包括加速度计加速度测量值和陀螺角速度；

步骤二：实时监控GPS测量数据，通过判定准则对GPS测量数据的可用性进行判断，若GPS测量系统出现一段连续且精度可用的速度数据，则存储该区间GPS测量系统的速度数据作为可用的GPS测量数据中的速度测量数据，具体包括以下几个步骤；

（1）当采集的GPS测量速度值大于等于速度阈值时，GPS测量数据可用：

v_GPS≥v_threshold

其中，v_GPS为GPS测量速度，v_threshold为速度阈值；

（2）当连续两时刻GPS测量系统输出的航向差的绝对值小于等于角度差阈值时，则GPS测量数据可用：|Δψ|≤θ_threshold

其中，θ_threshold为角度差阈值，Δψ为连续两时刻GPS测量系统输出的航向差；

（3）GPS测量系统的DOP值在小于等于精度因子阈值时，GPS测量数据可用：

HDOP≤DOP_threshold

其中，DOP_threshold为精度因子阈值，HDOP为水平位置几何精度因子；

（4）利用双差分序列对GPS测量数据可用性进行判断，具体包括以下步骤：

a.获得DR测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔDR}}^N\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\cos \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\\ {\mathrm{\ΔDR}}^E\left(k\right)=[v(k-1)+a\left(k\right)*T]*T*\sin \left(\mathrm{\ψ}\left(k\right)\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；v(k-1)为k-1时刻卡尔曼滤波得到的速度值；a(k)为k-1～k时间段内加速度计加速度测量值；T为卡尔曼滤波周期；ψ(k)为k时刻航向值，由上一时刻的卡尔曼滤波航向值加上k-1～k时间段陀螺仪测量的航向角变化量得到；

b.获得GPS测量差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔGPS}}^N\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^N(k-1)\\ {\mathrm{\ΔGPS}}^E\left(k\right)={\mathrm{GPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{GPS}}^E(k-1)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；GPS^N(k)、GPS^E(k)分别为k时刻GPS测量系统输出的北向位置、东向位置；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS测量系统输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

c.获得GPS/DR双系统测量互差分序列为：

$\left\{\begin{array}{c}{C}^N\left(k\right)={\mathrm{\ΔGPS}}^N\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^N\left(k\right)\\ C^E\left(k\right)={\mathrm{\ΔGPS}}^E\left(k\right)-{\mathrm{\ΔDR}}^E\left(k\right)\end{array}\right.k=\mathrm{1,2,3}...$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；ΔDR^N(k)为k时刻DR测量系统北向位置差分结果；ΔDR^E(k)为k时刻DR测量系统东向位置差分结果；ΔGPS^N(k)和ΔGPS^E(k)分别为k时刻GPS测量系统输出的北向位置的差分结果及东向位置的差分结果；

d.获得GPS/DR双测量系统单历元互差分结果估计的测量系统GPS的观测噪声为：

C(k)=[C^N(k),C^E(k)]

${\hat{R}}_1\left(k\right)=\left(C\left(k\right)C{\left(k\right)}^T\right)/2$

其中，k为组合导航系统滤波解算时刻；C(k)为位置互差分向量；

为k时刻基于GPS/DR双测量系统单历元互差分的估计结果，C^N(k)、C^E(k)分别为k时刻北向位置、东向位置的互差分结果；

e.设定观测噪声阈值，当k时刻基于GPS/DR双测量系统单历元互差分的估计结果

小于等于观测噪声阈值R_threshold，则GPS测量数据中的速度测量数据可用；

即 ${\hat{R}}_1\left(k\right)\≤R\_\mathrm{threshold}$

其中，R_threshold为观测噪声阈值；

（5）当全部满足上述四种判定准则的连续可用测量数据持续时间达到连续时间阈值时，则该时间段GPS测量数据中的速度测量数据可用：

t≥t_threshold

其中，t_threshold为连续时间阈值；

步骤三：利用步骤二获得的可用GPS测量数据中的速度测量数据作差得到加速度数据，结合加速度计获得的加速度计加速度测量值，采用最小二乘法对加速度计刻度因数和零偏误差进行估计，具体包括以下几个步骤：

a.确定函数关系如下：

a_ireal＝K·a_i-a_bias

其中，a_ireal为i时刻加速度真值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K为加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏误差估计值；

b.将经步骤二得到的可用GPS测量数据中的速度测量数据作差得到加速度信息，作为加速度的参考数据，对GPS测量数据中的速度测量数据每隔3～10点求一次差值，求得结果除以相应的间隔点数得到相应时刻的加速度数值；

c.设定估计准则如下：

$J=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{iGPS}}-(K\·a_i-a_{\mathrm{bias}})]=\min$

其中，J为代价函数，Δv_iGPS为i-1～i时刻可用GPS测量速度值的差值；a_i为i时刻加速度计加速度测量值；K加速度计的刻度因数；a_bias为加速度计的零偏误差估计值；m是用来进行最小二乘估计是所选用的连续可用的GPS测量数据中的速度测量数据个数，min表示使得代价函数J达到最小；

步骤四：将利用步骤三的最小二乘法得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值a_bias与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行比较，设定相应的判决条件以判断是否对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值进行更新，具体包括以下几个步骤；

将步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值分别与预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值求差值，若得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值大于等于10%，或得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值大于等于10%，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均进行更新，将预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值更新为步骤三中计算得到的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值；如果得到的加速度计刻度因数的差值与预设的加速度计刻度因数的比值小于10%，且得到的加速度计零偏误差估计值的差值与预设的加速度计零偏误差估计值的比值小于10%，则对预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均不进行更新，预设的加速度计刻度因数和预设的加速度计零偏误差估计值均保持不变，完成一次加速度计标定；

步骤五：设定间隔时间T_det，在一次加速度计标定完成正常运行时间T_det后，返回步骤二，继续监控GPS测量数据，当再次出现满足步骤二要求的可用GPS测量数据中的速度测量数据，则将新得到的GPS测量数据中的速度测量数据利用步骤三的方法对加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行重新标定，并根据步骤四的判定准则判断是否需要对预设的加速度计刻度因数和加速度计零偏误差估计值进行更新，实现加速度计的动态标定。

2.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤二（1）的速度阈值v_threshold取值为10～20km/h。

3.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤二（2）的角度差阈值θ_threshold取值为1～10度。

4.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤二（3）的精度因子阈值DOP_threshold取值为2.0～3.0。

5.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤二（4）的观测噪声阈值R_threshold的取值为10～50m²。

6.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤二（5）的连续时间阈值t_threshold取值为100～300s。

7.根据权利要求1所述的一种基于GPS速度信息的加速度计标定方法，其特征在于：步骤五的时间间隔T_det的取值根据运载体所在环境的恶劣程度不同差异较大，一般取值范围为10～60分钟。

Images