CN103575297B - 基于卫星导航接收机的gnss和mimu组合导航航向角估计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其步骤为：（1）利用卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，计算得到载体加速度矢量；（2）建立SINS在地心地固坐标系中的比力测量方程，根据卫星导航接收机测量得到的载体加速度矢量和MIMU中加速度计的测量值，采用动态调平计算水平姿态角；（3）根据比力测量方程，利用卫星导航接收机测量得到的加速度矢量、加速度计的测量值、计算得到的水平姿态角、速度矢量和当地重力矢量，求解得到航向角信息。本发明具有原理简单、处理速度快、精度高、计算量小、自主性强等优点。

Description

基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法

技术领域

本发明主要涉及到组合导航系统领域，特指一种适用于航空、航天等高动态条件下的GNSS和MIMU组合导航的航向角估计方法。

背景技术

全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）具有全天候、连续的、实时的精密三维导航与定位能力，在个人定位服务、气象预报、道路交通、铁路交通、海运和水运、航空运输、应急救援以及武器制导等民用和军用领域极具应用价值；但缺点是动态性能较差、易受电磁干扰、卫星信号易被遮挡等。最成熟、常用的GNSS系统是美国的全球定位系统GPS（Global Positioning System）。捷联惯性导航系统SINS（StrapdownInertial Navigation System）是一种既不依赖于外部信息，又不发射信息的自主式导航系统，具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，缺点是导航误差随时间累积。由微惯性测量单元MIMU（MEMS based Inertial Measurement Units）构成的SINS由于具有成本低、全固态、可靠性高、抗冲击性好、体积小、功耗低等优势，成为近二十多年来惯性技术领域的研究热点。将GNSS接收机与MIMU进行组合可以达到取长补短的效果，即可以充分利用MIMU短期精度高、不受外界干扰和卫星导航长期精度高的优点，克服MIMU长期精度低和卫星导航系统动态性能较差、易受干扰的缺点，进而在精度和可靠性方面可以获得比单独使用任何一种导航设备都优良的性能。

众所周知，SINS进行导航解算前需要对位置、速度、姿态角进行初始化，其中对于姿态角的初始化过程称为“对准”。对准一般分为自对准和传递对准两类，高精度SINS才能实现自对准，低精度SINS一般采用传递对准。传递对准指在运动平台上利用较高精度的捷联惯性导航系统（称为主惯导）信息实现较低精度的捷联惯性导航系统（称为子惯导）初始对准的过程。传递对准作为低精度捷联惯性导航系统工作中的一个重要步骤，其精度和时间直接制约低精度捷联惯性导航系统的性能，因此也对整个系统的综合导航性能有着重要影响。

在GNSS/MIMU组合导航系统应用过程中，一般采用传递对准的方法实现导航系统航向角的确定。但是，传递对准需要实时得到主惯导或基准系统的导航信息，难以满足航空、航天日益迫切的高性价比等应用要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、处理速度快、精度高、计算量小、自主性强的基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其步骤为：

（1）利用卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，计算得到载体加速度矢量；

（2）建立SINS在地心地固坐标系中的比力测量方程，根据卫星导航接收机测量得到的载体加速度矢量和MIMU中加速度计的测量值，采用动态调平计算水平姿态角；

（3）根据比力测量方程，利用卫星导航接收机测量得到的加速度矢量、加速度计的测量值、计算得到的水平姿态角、速度矢量和当地重力矢量，求解得到航向角信息。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（1）中的载体加速度矢量a_r是由卫星导航接收机的输出信息计算得到，计算式为：

$a_r=a_s-{\stackrel{\·\·}{R}}_r^s{e}_r^s+\frac{1}{R_r^s}({|v_s-v_r|}^2-{\left({\stackrel{\·}{R}}_r^s\right)}^2)e_r^s$

其中，v_s为当前卫星的速度，来源于星历信息；a_s为当前卫星的加速度，根据卫星速度得到；为接收机和卫星之间的相对位置单位矢量和相对位置的模，根据二者的位置确定；v_r为接收机输出的载体速度；分别为相对位置变率和相对位置变化的加速度，c为光速，f_L为卫星信号载波频率，f_d、分别为多普勒频移和多普勒变化率，由接收机载波锁相环路输出。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（2）中采用动态调平计算滚动角φ和俯仰角θ的计算式为：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{f_y-a_y}{g}\right),\mathrm{\θ}=-\arcsin \left(\frac{f_x-a_x}{g}\right)$

其中，f_x为X轴加速度计的测量值，f_y为Y轴加速度计的测量值，a_x为加速度矢量a_r在X轴方向的分量，a_y为加速度矢量a_r在Y轴方向的分量，g为当地重力值。

作为本发明的进一步改进：所述步骤（3）中SINS在地心地固坐标系中加速度矢量a_r的测量方程为：

$a_r=C_b^e{f}^b-{2\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ie}}^e{V}^e+g^e$

其中，f^b为MIMU中三轴加速度计的测量值，

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ie}}^e=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\ω}}_e& 0\\ {\mathrm{\ω}}_e& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],$ ω_e为地球自转角速度，V^e为接收机在地心地固坐标系中的速度矢量，g^e为ECEF系中的正常重力加速度矢量，为载体坐标系到ECEF系的方向余弦阵。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明属于自对准的技术范畴，其利用GNSS接收机测量的加速度值，建立加速度矢量的计算方程，结合SINS动态调平得到的水平姿态角，利用比力测量方程求解得到航向角。本发明的方法避免了采用传递对准实现航向角求解的难点，不需要主惯导信息，具有原理简单、处理速度快、高精度、计算量小的优点。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在具体应用实例中的框架原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其步骤为：（1）基于卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，求解出载体加速度矢量；（2）根据卫星导航接收机测量得到的载体加速度矢量和MIMU中加速度计的测量值（即：比力），采用动态调平计算水平姿态角；（3）根据水平姿态角和加速度计测量值，利用比力方程，求解载体航向角。

结合具体应用实例，本发明的具体流程为：

1.卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，求解出载体加速度矢量；

所述求解载体加速度矢量，由下式（1）实现：

$a_r=a_s-{\stackrel{\·\·}{R}}_r^s{e}_r^s+\frac{1}{R_r^s}({|v_s-v_r|}^2-{\left({\stackrel{\·}{R}}_r^s\right)}^2)e_r^s---\left(1\right)$

其中，v_s为当前卫星的速度，来源于卫星星历信息；a_s为当前卫星的加速度，可根据卫星速度得到；为接收机和卫星之间的相对位置大小和相对位置的单位矢量，可根据二者的位置确定；v_r为接收机输出的载体速度；分别为卫星与载体之间的相对速度和相对加速度。

所述卫星星历信息包括卫星的位置R_s和速度v_s，对速度进行差分可得到卫星的运动加速度a_s。

所述接收机与可见卫星间的相对速度，为接收机与可见卫星间距离的变化率，可根据下式（2）得到：

${\stackrel{\·}{R}}_r^s=\frac{c}{f_L}{f}_d---\left(2\right)$

其中c、f_L分别为光速和卫星信号载波频率，均为固定常数，f_d为多普勒频移，是卫星接收机提供的观测量。

所述接收机与可见卫星间的相对加速度，为接收机与可见卫星间距离变化的加速度，可根据下式（3）得到：

${\stackrel{\·\·}{R}}_r^s=\frac{c}{f_L}{\stackrel{\·}{f}}_d---\left(3\right)$

其中c、f_L分别为光速和卫星信号载波频率，均为固定常数，为多普勒变化率，由接收机内部的载波跟踪环路输出，也可通过对多普勒频移f_d进行一次差分获得。

所述接收机和卫星之间的相对位置大小由下式（4）确定：

$R_r^s={[{(x_r-x_s)}^2+{(y_r-y_s)}^2+{(z_r-z_s)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

其中，x_r、y_r、z_r为接收机位置矢量在地固系下的三个分量，x_s、y_s、z_s分别是卫星位置矢量在地固系下的三个分量。

所述接收机和卫星之间的相对位置单位矢量由下式（5）确定：

$e_r^s=\frac{1}{R_r^s}{\left[\begin{array}{ccc}(x_s-x_r)& (y_s-y_r)& (z_s-z_r)\end{array}\right]}^T---\left(5\right)$

2.根据上述步骤1得到的载体加速度矢量和MIMU中加速度计的测量值（即：比力），采用动态调平技术计算两个水平姿态角，即滚动角φ和俯仰角θ。

所述动态调平技术，是基于以下公式（6）：

$\begin{array}{c}\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{f_y-a_y}{g}\right)\\ \mathrm{\θ}=-\arcsin \left(\frac{f_x-a_x}{g}\right)\end{array}----\left(6\right)$

其中，f_x为X轴加速度计的测量值，f_y为Y轴加速度计的测量值，a_x为加速度矢量a_r在X轴方向的分量，a_y为加速度矢量a_r在Y轴方向的分量，g为当地重力值。

所述加速度计，是MIMU中的传感器之一，三轴正交分布，分别用于测量载体沿三个方向的比力信息。

3.根据水平姿态角和加速度计测量值，利用比力方程，求解载体航向角。

所述比力方程，是指下式（7）：

$a_r=C_b^e{f}^b-{2\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ie}}^e{V}^e+g^e---\left(7\right)$

其中，f^b为MIMU中三轴加速度计的测量值，

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{ie}}^e=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\ω}}_e& 0\\ {\mathrm{\ω}}_e& 0& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right],$ ω_e为地球自转角速度，V^e为接收机在地心地固坐标系（ECEF系）中的速度矢量^，g^e为ECEF系中的正常重力加速度矢量，为载体坐标系到ECEF系的方向余弦阵。

所述求解载体航向角，是基于以下计算式（8）：

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{{\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{ny}}a-{\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{nx}}b}{{\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{nx}}a+{\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{ny}}b}\right)---\left(8\right)$

其中，

$\begin{array}{c}a=f_x\cos \mathrm{\θ}+f_y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+f_z\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}\\ b=f_y\cos \mathrm{\φ}-f_z\sin \mathrm{\φ}\\ R_n=\frac{r_0(1-e^2)}{{(1-e^2{\sin }^{2}L)}^{3/2}}\\ R_e=\frac{r_0}{{(1-e^2{\sin }^{2}L)}^{1/2}}\\ {\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{nx}}=a_R^{\mathrm{nx}}-\frac{V_n{V}_d}{R_n+h}+2V_e\mathrm{\Ω}\sin L+\frac{V_e^2\tan L}{R_e+h}\\ {\stackrel{\‾}{a}}_R^{\mathrm{ny}}=a_R^{\mathrm{ny}}-(2\mathrm{\Ω}\cos L+\frac{V_e}{R_e+h})(V_n\tan L+V_d)\end{array}---\left(9\right)$

上式中，f_x、f_y、f_z为比力分量，由加速度计测得；θ、φ为俯仰角和滚动角，根据步骤2计算得到。L、h为载体当前的纬度和高度，由载体位置确定；V_n、V_e、V_d为北向、东向、地向速度，是当地地理系下载体速度矢量V^e的三个投影分量，而 为北向、东向加速度，是当地地理系下载体加速度矢量三个投影分量中的两个，而Ω、r₀和e分别表示地球自转角速度、地球半径和椭球偏心率，均为已知常数。

所述为当地地理系到ECEF系的方向余弦阵，根据下式（10）计算：

$C_n^e==\left[\begin{array}{ccc}-\sin L\cos \mathrm{\λ}& -\sin \mathrm{\λ}& -\cos L\cos \mathrm{\λ}\\ -\sin L\sin \mathrm{\λ}& \cos \mathrm{\λ}& -\cos L\sin \mathrm{\λ}\\ \cos L& 0& -\sin L\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中L、λ分别为当前载体纬度信息和经度信息。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其特征在于，步骤为：

(1)利用卫星导航接收机获取可见卫星星历信息、接收机与可见卫星间的相对速度、相对加速度矢量和载体位置、速度信息，计算得到载体加速度矢量；

(2)建立SINS在地心地固坐标系中的比力测量方程，根据卫星导航接收机测量得到的载体加速度矢量和MIMU中加速度计的测量值，采用动态调平计算水平姿态角；

(3)根据比力测量方程，利用卫星导航接收机测量得到的加速度矢量、加速度计的测量值、计算得到的水平姿态角、速度矢量和当地重力矢量，求解得到航向角信息；

所述步骤(2)中采用动态调平计算滚动角φ和俯仰角θ的计算式为：

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{f_y-a_y}{g}\right),\mathrm{\θ}=-\arcsin \left(\frac{f_x-a_x}{g}\right)$

其中，f_x为X轴加速度计的测量值，f_y为Y轴加速度计的测量值，a_x为加速度矢量a_r在X轴方向的分量，a_y为加速度矢量a_r在Y轴方向的分量，g为当地重力值。

2.根据权利要求1所述的基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其特征在于，所述步骤(1)中的载体加速度矢量a_r是由卫星导航接收机的输出信息计算得到，计算式为：

$a_r=a_s-{\stackrel{\·\·}{R}}_r^s{e}_r^s+\frac{1}{R_r^s}\left(\right|v_s-v_r{|}^2-{\left({\stackrel{\·}{R}}_r^s\right)}^2)e_r^s$

其中，v_s为当前卫星的速度，来源于星历信息；a_s为当前卫星的加速度，根据卫星速度得到；为接收机和卫星之间的相对位置单位矢量和相对位置的模，根据二者的位置确定；v_r为接收机输出的载体速度；分别为相对位置变率和相对位置变化的加速度，c为光速，f_L为卫星信号载波频率，f_d、分别为多普勒频移和多普勒变化率，由接收机载波锁相环路输出。

3.根据权利要求2所述的基于卫星导航接收机的GNSS和MIMU组合导航航向角估计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，载体加速度矢量a_r的测量方程为：

$a_r=C_b^e{f}^b-2{\mathrm{\Ω}}_{ie}^e{V}^e+g^e$

其中，f^b为MIMU中三轴加速度计的测量值，

ω_e为地球自转角速度，V^e为接收机在地心地固坐标系中的速度矢量，g^e为ECEF系中的正常重力加速度矢量，为载体坐标系到ECEF系的方向余弦阵。