CN105783922B - 用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及针对基于磁性校准测量的混合导航方案的航向。一个实施例针对一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法。该方法包括：从多个GNSS卫星接收信号，获得来自一个或多个惯性传感器的三维惯性测量，和获得来自一个或多个磁力计的三维磁性测量。使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据以及三维磁性测量利用磁性校准滤波器针对三维磁性测量而估计磁性偏置状态。基于磁性偏置状态来计算人工航向。可以使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据、以及人工航向利用主导航滤波器来估计主导航方案。

Description

用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明是利用由捷克共和国技术厅获批的政府合同#2013TA03030674下的政府支持而做出的。政府在本发明中具有某些权利。
背景技术
基于低成本惯性传感器(通常是基于MEMS)的导航集成系统经常使用辅助在非加速飞行阶段期间估计航向的磁力计。然而，因为确保磁性辅助的可靠性是有挑战性的任务，当代系统只有当辅助必要时才使用磁力计测量且只用于航向，而不用于俯仰(pitch)和滚转(roll)。为了确保该磁力计测量不用于俯仰和滚转，当代系统在辅助中通常不使用三维磁性向量。
发明内容
一个实施例针对一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法。该方法包括：在对应于对象的位置处从多个全球导航卫星系统(GNSS) 卫星接收信号，获得来自对应于所述对象的一个或多个惯性传感器的三维惯性测量，和获得来自对应于所述对象的一个或多个磁力计的三维磁性测量。使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据以及三维磁性测量利用磁性校准滤波器(filter)针对三维磁性测量而估计磁性偏置状态。使用磁性偏置状态针对所述对象来计算人工航向。可以使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据、以及人工航向利用主导航滤波器来估计针对所述对象的主导航方案。
附图说明
下面的示例性附图旨在辅助示例性实施例的书面描述的理解而不应被认为在范围上限制。
图1是系统的示例性实施例，该系统包括具有混合导航系统的对象，混合导航系统被配置为基于磁性校准测量而提供针对对象的航向。
图2是方法的一个实施例的流程图，该方法用于确定图1的对象的航向，并确定针对航向的保护限制。
图3是多个滤波器的示例性实施例，所述多个滤波器被维护以便确定导航方案，所述导航方案包括航向以及对应的保护限制(包括使用图2的方法的航向保护限制)。
根据惯例，各种显示的特征不一定按比例绘制，而是被绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。
具体实施方式
缺乏对三维磁性向量辅助的利用防止完全在线磁力计校准，其包括两种磁力计校准参数的标识：软铁和硬铁偏置。这样的磁力计校准可以显著改进航向估计准确度，这往往表示由于严格的航向要求所致的集成导航系统或姿态和航向参考系统(AHRS)的设计瓶颈。
本文所述的实施例提供一种基于三维磁力计测量的航向方案，其中对磁力计测量中的误差进行适当建模和处理而同时确保三维磁力计测量不影响滚转或俯仰解决方案。本文描述的实施例还提供没有计算要求方面的显著增加的基于方案分离(separation)的针对包括航向的导航参数的空间完整性中的全球导航卫星系统(GNSS)信号。
图1描绘了具有一个或多个惯性测量单元(IMU)30的对象12的一个示例性实施例，惯性测量单元(IMU)30包括一个或多个陀螺仪32和加速度计34。对象12还包括从多个卫星1-N接收信号的一个或多个GNSS接收器14。对象 12还包括一个或多个磁力计10。对象12还可以可选地包括一个或多个其他传感器11，诸如一个或多个气压计。对象12还包括一个或多个处理设备16，该处理设备16耦合到存储从(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个)磁力计10、(一个或多个)IMU30、和(一个或多个)可选的其它传感器11接收的数据以及指令(例如，软件)的一个或多个存储器单元18。所述指令当在(一个或多个)处理设备16上执行时被配置为使(一个或多个)处理设备16基于来自(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个)磁力计10和(一个或多个)IMU30的数据确定针对对象12的混合导航方案。在存储器18上的指令可包括被配置为在(一个或多个)处理设备16上实现其相应的功能的主导航滤波器模块20、子方案模块22、磁性校准滤波器模块24以及导航方案完整性模块 26。应该理解的是，本文所描述的模块20、22、24、26的划分是示例，并且在其它示例中，可以使用更多、更少和/或不同的模块，并且被分配到给定模块的动作可以不同。对象12可以包括期望确定针对其的导航方案的任何对象，诸如有人驾驶或无人驾驶交通工具(例如，飞行器、船、汽车)。
由(一个或多个)处理设备16确定的导航方案可输出至导航管理系统40，其包括另一个(或多个)处理设备以监督导航以及向各个单元(例如，(一个或多个)传感器30、(一个或多个)GNSS接收器14和(一个或多个)处理设备 16)提供命令。对于有人驾驶飞行器，导航管理系统40可以是通过显示监视器或打印机与驾驶员和地面控制站通信的飞行管理系统。在另一个实施例中，(一个或多个)处理设备16和导航管理系统40可以被组合在单个单元中。导航管理系统40可使用(一个或多个)任何合适的处理设备以及诸如但不限于打印机、计算机屏幕、各种CRT、有源和无源矩阵LCD和等离子显示单元之类的显示技术来实现。(一个或多个)处理设备16和导航管理系统40中的(一个或多个) 处理设备可以包括(一个或多个)任何合适的处理设备，诸如数字信号处理设备(DSP)、中央处理单元(CPU)、微控制器或算术逻辑单元。存储器18可包括任何合适的存储实体，诸如闪速驱动器、磁盘驱动器、RAM(例如，DRAM)、 ROM、PROM、或CD/DVD/蓝光、光学储存器或光电子电路。
(一个或多个)IMU30、(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个) 磁力计10和(一个或多个)可选的其它传感器11可以全部物理附接到对象12，使得其测量对应于对象12。因此，(一个或多个)IMU 30可被配置成感测对象 12绕三个相互正交的轴的惯性运动，以获得对应于对象12的三维惯性测量。(一个或多个)GNSS接收器14可被配置成在对象12的位置处从GNSS卫星1-N 接收信号，并基于所接收到的信号向(一个或多个)处理设备16提供伪距离测量。示例GNSS卫星星座包括全球定位系统(GPS)、GLONASS、伽利略(Galileo) 和北斗(Beidou)星座。(一个或多个)磁力计10可被配置成感测对象12的位置处的沿三个相互正交的方向的地球磁场，以获得对应于对象12的三维磁性测量。(一个或多个)可选传感器11包括一个或多个气压计，其被配置成感测对象的位置处的气压以获得对应于对象的气压测量。
图2图示方法200的一个实施例，该方法用于使用关于图1描述的系统确定导航方案。由(一个或多个)GNSS接收器14在对象12的位置处接收来自多个GNSS卫星的信号。(一个或多个)GNSS接收器14然后可基于接收的信号来生成伪距离测量(框202)。用(一个或多个)IMU 30获得对应于对象12 的三维(3-D)惯性测量(框202)。用(一个或多个)磁力计10获得对应于对象12的3-D磁性测量(框202)。如果包括(一个或多个)任何可选的传感器 11(例如，一个或多个气压计)，还可以获得对应于对象12的测量(例如，气压测量)。伪距离测量、3-D惯性测量、3-D磁性测量以及来自(一个或多个) 可选的其它传感器11的测量(例如，气压测量)(如果存在的话)被提供至(一个或多个)处理设备16。
(一个或多个)处理设备16可以运行存储器18上的指令以基于伪距离测量、3-D惯性估计、3-D磁性测量和气压测量(如果存在的话)执行以下动作。存储器18上的指令包括磁性校准滤波器模块24，其使得(一个或多个)处理设备16如下所述基于伪距离测量、3-D惯性测量、3-D磁性测量和来自(一个或多个)可选传感器11(如果存在的话)的测量来维护磁性校准滤波器(框204)。
图3是图示磁性校准滤波器302、由(一个或多个)处理设备16实现的其它滤波器以及滤波器之间以及与(一个或多个)IMU30、(一个或多个)GNSS 接收器14、(一个或多个)磁力计10和(一个或多个)可选传感器11(例如，气压计)的交互的框图。磁性校准滤波器302(本文也简称为“校准滤波器302”) 被配置成估计对应于对象12的状态向量的分量，并且可以基于遵循卡尔曼滤波器设计方法的估计算法。状态向量分量可以包括针对对象12的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态。在示例中，这些状态包括针对对象12的3-D位置和速度以及滚转、俯仰和航向的九个或十个状态。状态向量分量可以包括针对3-D 惯性测量的校准的状态。在示例中，这些状态包括针对3-D加速度和角速率的校准的六个状态。状态向量分量可包括针对(一个或多个)GNSS接收器14的 (一个或多个)时钟的偏置和漂移的状态，以及针对由(一个或多个)GNSS 接收器14接收的信号的伪距离偏置的状态。在其中获得(存在)气压测量的示例中，校准滤波器302还可以估计针对气压测量的偏置的状态。实现所有这些状态的方式是本领域技术人员已知的。
状态向量分量还可包括针对3-D磁性测量的偏置的状态。在示例中，针对 3-D磁性测量的偏置的状态包括针对关于3-D轴的软铁偏置的九个状态和针对关于3-D轴的硬铁偏置的三个状态。实现针对3-D磁性测量的偏置的这样的状态的方式是本领域技术人员已知的。
校准滤波器302基于更新的惯性测量、伪距离测量、磁性测量和气压测量(如果存在的话)来递归地操作以迭代地更新状态向量。在示例中，校准滤波器302可以使用惯性测量用于预测步骤，以及使用伪距离测量、磁性测量和气压测量(如果存在的话)以在滤波步骤中更新来自预测步骤的状态向量。
基于由校准滤波器302维护的磁性偏置状态，生成“人工航向”(图2的框 206)以用于辅助主导航滤波器304(本文也简称为“主滤波器304”)。术语人工航向出于简化的缘故而被定义为该航向计算用被校准并仅限于航向的磁性测量来辅助主滤波器304；磁性测量不影响俯仰或滚转。在示例中人工航向可以是针对硬铁偏置和软铁偏置而被校准并针对下倾和上倾而被补偿的磁性测量。基于所述人工航向，主滤波器304可以在具有针对航向的经校准的磁性测量的益处的情况下估计主导航方案，其包括航向、俯仰和滚转，并且同时确保俯仰和滚转不受磁性测量影响。
除了磁性偏置状态之外，人工航向也基于来自主滤波器304的对象的3-D 磁性测量、滚转和俯仰估计，以及基于来自主滤波器304的对象的位置估计的磁偏角。特别地，人工航向使用来自校准滤波器302的磁性偏置状态所给出的偏置并基于其调节来自(一个或多个)磁力计10的磁性测量以校准磁性测量。因为校准滤波器304接受3-D磁性测量并估计3-D硬铁偏置和3-D软铁偏置，磁性测量可被完全校准。在示例中，根据下式计算经校准的磁性测量，
其中Dmag是对应于九个软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置状态向量，并且是3-D磁性测量。在该示例中，在对象12的主架(bodyframe)中计算经校准的磁性测量，如上由上标“B”表示。
除了校准测量之外，用于确定人工航向的计算将3-D磁性测量减少至仅一维航向值，从而去除关于俯仰和滚转轴的任何磁性测量。因此，然后可以基于来自主滤波器304的滚转和俯仰估计以及由主滤波器304估计的位置处的磁偏角来变换经校准的磁性测量以得出人工航向。在示例中，该变换将人工航向ψma计算为
其中φ是来自主导航滤波器304的滚转估计，θ是来自主导航滤波器304的俯仰估计，ψdec是磁偏角，并且和分别是主架的分量x， y和z的经校准的磁性测量。在示例中，主滤波器模块20被配置成使得(一个或多个)处理设备16计算人工航向，但在其它示例中，其它模块可导致所述计算。
一旦被计算，人工航向就被主滤波器304处理为测量。类似于校准滤波器 302，主滤波器304可以使用3-D惯性测量用于预测步骤。然而，代替如校准滤波器302那样使用3-D磁性测量，主滤波器304使用人工航向连同伪距离测量和(如果存在的话)来自(一个或多个)可选其他传感器11(例如，气压计) 的测量以在滤波步骤中更新预测步骤。
主滤波器模块20被配置成使(一个或多个)处理设备16将人工航向ψma中的误差建模为时间相关的航向偏置误差bψ，ma加上不相关(“白”)噪声 wma。时间相关的航向偏置误差bψ，ma被建模为主滤波器304的状态空间中的状态。主滤波器304使用来自校准滤波器302的统计量来估计针对时间相关偏置的状态。特别地，时间相关偏置的统计量可以基于来自校准滤波器302的磁性偏置状态估计的统计量以及由主滤波器304估计的对象的位置处的磁偏角误差效应来计算。在示例中，可以在偏置统计量上利用使用一阶泰勒级数展开来变换这些统计量。在示例中，将时间相关偏置状态建模为一阶高斯-马尔可夫 (GM)过程，如
其中bψ是时间相关偏置，τψ是GM过程的时间常数，并且wGM是驱动GM 过程的不相关白噪声。下标“ma”表示相应值是来自主滤波器304的或者是主滤波器304的部分。GM过程的平稳(稳态)方差表示为(σGM，ma)2＝Var(bψ，ma)，其中sigma是标准偏差。
对于人工航向的不相关噪声，不相关的噪声的方差σWN可以通过磁力计测量噪声和对人工航向的姿态误差效应的统计量给出。因此，主滤波器304可以将不相关噪声σWN计算为(σWN，ma)2＝Var(wma)。在示例中，可在不相关噪声统计量上利用使用一阶泰勒级数展开来变换这些统计量。
除了时间相关偏置状态之外，主滤波器模块20被配置成使得(一个或多个) 处理设备16估计针对对象12的主导航方案(图2的框208)。在示例中，主滤波器304估计主导航方案包括估计针对对象12的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态。在实现方式中，这些状态包括针对对象12的3-D位置和速度以及滚转、俯仰和航向的九个或十个状态。估计主导航方案还可包括估计针对3-D惯性测量的校准的状态。在示例中，这些状态包括针对3-D加速度和角速率的校准的六个状态。主滤波器304还可估计针对(一个或多个)GNSS接收器14的 (一个或多个)时钟的偏置和漂移的状态、针对气压计偏置的状态(如果存在气压计的话)以及针对由(一个或多个)GNSS接收器14接收的信号的伪距离偏置的状态。主滤波器304基于更新的惯性测量、伪距离测量、气压测量(如果存在的话)以及人工航向来递归地操作以迭代地更新状态，并且可基于遵循卡尔曼滤波器设计方法的估计算法。
一旦主导航方案被计算，主导航方案就可输出至导航管理系统40，其可以采取适当的动作，诸如基于主导航方案来控制对象12的操作。
图1的系统也可被配置成在主导航方案上提供完整性。可使用方案分离技术来提供该完整性。方案分离技术涉及通过多个子滤波器306-1到306-N来维护针对主导航方案的多个子方案(图2的框210)。针对每组N-l个卫星来维护分离的子方案，其中主导航方案并入来自所有N个卫星的测量。因此，每个子方案并入来自N-l个卫星的不同组合的测量。也就是说，子滤波器306-n排除来自卫星n的测量。如果卫星具有较大误差，它将驱动一个或多个子方案远离由主滤波器304维护的主导航方案。更具体地，在主滤波器304的主导航方案和每个子滤波器306的每个子方案之间存在方案差异(本文也称为“分离”)。
子方案模块22被配置成使(一个或多个)处理设备16计算针对主导航方案的这样的子方案。在示例中，每个子滤波器306通常估计与主滤波器304相同的状态向量。也就是说，子方案和主方案之间的状态变量的含义是相同的；然而，一些子方案的状态向量可能具有与主方案的状态向量不同的维度。因为子方案处理N-1个测量，将仅仅存在所估计的N-1个伪距离偏置(相比于主滤波器中的N个偏置)。然而，通常，在其中主滤波器估计针对3-D位置、3-D速度、滚转、俯仰和航向的状态的示例中，子方案可估计针对3-D位置、3-D速度、滚转、俯仰和航向的状态。子滤波器306还估计针对3-D惯性测量的校准的状态、(一个或多个)GNSS接收器14的(一个或多个)时钟的偏置和漂移、针对气压计偏置的状态(如果气压计存在的话)和针对通过(一个或多个)GNSS 接收器14接收的信号的伪距离偏置。每个子滤波器306还可估计针对人工航向的时间相关偏置的状态。
类似于主滤波器304，子滤波器306可基于3-D惯性测量、来自(一个或多个)GNSS接收器14的伪距离测量和基于类似于校准滤波器302中使用的那些的计算的人工航向来估计这些状态。在示例中，用于主滤波器304的相同人工航向可用于每个子滤波器306。在可替代的示例中，被每个子滤波器使用的人工航向可以基于来自相应子滤波器306的滚转和俯仰估计和由该相应子滤波器 306估计的位置处的磁偏角。因此，每个子滤波器可使用独立的人工航向，其是通过基于相应子滤波器的滚转、俯仰、和位置来变换校准磁性测量而计算的。
导航方案完整性模块26被配置成使(一个或多个)处理设备16基于主导航方案和子方案确定保护限制。从主滤波器304和子滤波器306所维护的状态向量确定针对导航值而不是航向的保护限制(完整性)的方式是本领域技术人员已知的，其是基于主导航方案和针对相应导航值的每个相应子方案之间的分离的。
然而，由于主滤波器304和子滤波器306不对滚转和俯仰估计的水平测量(leveling)相关性进行建模，基于主滤波器304和每个相应子滤波器306之间的航向分离的航向保护限制可能过于乐观。因此，基于来自校准滤波器302的航向估计来计算航向保护限制。然而，在示例中，不计算来自校准滤波器的航向估计的子方案，以便减少所需的计算量。代替地，对针对校准滤波器302的假想子方案航向估计的协方差进行近似(图2的框212)。
针对校准滤波器302的假想子方案航向估计的协方差(本文也称为“子方案航向协方差”)可基于主滤波器304、其相应的子滤波器306中的每一个、和校准滤波器302的航向协方差的比来近似。特别是，可以假定校准滤波器302 的航向协方差以及针对校准滤波器302的相应(“n”)假想子滤波器的航向协方差之间的比近似等于主滤波器304的航向协方差以及其对应的“n”子滤波器306 的航向协方差之间的比。该关系以以下方程示出：
该关系可以假设用于校准滤波器302的假想子滤波器(1-N)中的每一个。使用该关系，可确定针对校准滤波器302的多个N子方案航向协方差。在示例中，过界因子γovrb，用来确保针对校准滤波器302的每个子方案航向协方差的近似不过于乐观。在这样的示例中可根据下式计算针对校准滤波器302的每个子方案航向协方差：
其中，Cov(ψ)n，3-D是针对校准滤波器302的假想子方案“n”的子方案航向协方差，γovrb是过界因子，其大于或等于1，Cov(ψ)0，3-D是校准滤波器302 的航向协方差，Cov(ψ)0，DMHA是主滤波器304的航向协方差，以及 Cov(ψ)n，DMHA是来自主滤波器304的子滤波器306的子方案“n”的航向协方差。值得注意的是，主滤波器304的子方案“n”和校准滤波器302的假想子方案“n”二者对应于相同组N-l个卫星。
一旦确定针对所有假想子方案的航向协方差，可按如下计算航向(偏航) 保护限制(YPL)(图2的框214)：
其中
以及
以及
和Kff、Kfa、和Kmd是本领域技术人员已知的所谓的西格玛(sigma)乘数。
航向保护限制连同针对其他导航值的保护限制可被提供给导航管理系统 40。然后导航管理系统40可采取适当动作，诸如如果保护限制越界则发起警报。
有利地，该方法可用于提供针对只有一个附加滤波器(磁性校准滤波器302) 的磁性辅助的航向方案的完整性，不只是常规方案分离实现方式。这意味着，如果故障检测而不是排除被实现，上述方法可以用N+2个滤波器实现，其中N 表示过程伪距离测量的数目。此外，上述方法表示针对使用由GNSS和磁力计辅助的低成本惯性传感器(通常基于MEMS)的所有导航系统的合适的导航方案。这样的系统可以，例如，被称为GPS/INS、GNSS/INS、GPS/AHRS、 GNSS/AHRS和GPAHRS。此外，本文所描述的主题可用于高级接收器监视完整性方法(ARAIM)或基于方案分离的任何其他方法，诸如方案分离方法，其中N表示要被减轻的故障状态的数目，而不是伪距离测量的数目。
在示例中，一个或多个GNSS接收器14包括多个GNSS天线以接收GNSS 信号，并能提供使用GNSS干涉测量法的针对飞行器的姿态和航向的计算值。 GNSS误差直接贡献于针对姿态和航向的误差源。在这样的示例的一些实现方式中，(一个或多个)GNSS接收器14可仅使用多个GNSS测量来计算快照最小二乘解。在其它实现方式中，混合方案可以通过处理GNSS导出的姿态和航向方案作为滤波器的测量来计算。在这样的实现方式中，上述方案分离和卡尔曼滤波器技术在确定姿态和航向的估计的误差中适用于多个天线和数据集。
尽管上述描述仅集中于故障检测，但本文描述的主题可以扩展到包括通过增加如本领域技术人员所理解的子子方案滤波器层以直接的方式的故障检测和排除。
尽管上面讨论的方案分离技术对应于GNSS；并且相同技术可转移至来自其他仪器的多个数据集。例如，可以存在安装到对象12的多个仪器集，诸如 IMU，并且方案分离技术可在与来自GNSS的数据组合之前在来自其他仪器的数据集上执行。
示例性实施例
示例1包括一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法，该方法包括：从对应于对象的多个全球导航卫星系统(GNSS)卫星接收信号；从对应于所述对象的一个或多个惯性传感器获得三维惯性测量；从对应于所述对象的一个或多个磁力计获得三维磁性测量；使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和三维磁性测量利用磁性校准滤波器估计针对三维磁性测量的偏置的磁性偏置状态；基于磁性偏置状态计算针对所述对象的人工航向；以及使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和人工航向利用主导航滤波器估计针对所述对象的主导航方案。
示例2包括示例1的方法，其中估计磁性偏置状态包括估计针对软铁偏置的九个状态和针对硬铁偏置的三个状态。
示例3包括示例1-2中任一项的方法，其包括：利用磁性校准滤波器来估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态；利用磁性校准滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；利用磁性校准滤波器来估计针对GNSS 时钟的偏置和漂移的状态；以及利用磁性校准滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态。
示例4包括示例1-3中任一项的方法，其包括：获得对应于所述对象的气压测量；利用磁性校准滤波器来估计针对气压测量的偏置的状态；以及利用主导航滤波器来估计针对气压测量的偏置的状态。
示例5包括示例1-4中任一项的方法，其中计算人工航向包括基于磁性偏置状态、三维磁性测量、来自主导航滤波器的所述对象的滚转和俯仰估计以及来自主导航滤波器的基于所述对象的位置估计的磁偏角来计算人工航向。
示例6包括示例1-5中任一项的方法，其中计算人工航向包括将人工航向ψma计算为
其中φ是来自主导航滤波器的滚转估计，θ是来自主导航滤波器的俯仰估计，ψdec是磁偏角，以及和是分别在主架中具有分量x、y和z 的经校准的磁性测量。
示例7包括示例6的方法，其中被计算为：
其中Dmag是对应于软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置状态向量，以及是三维磁性测量。
示例8包括示例1-7中任一项的方法，其包括：利用主导航滤波器来估计人工航向的时间相关偏置。
示例9包括示例8的方法，其中估计时间相关偏置包括基于磁性偏置状态的统计量和磁偏角统计量来估计时间相关偏置，所述磁偏角统计量基于来自主导航滤波器的所述对象的位置估计统计量。
示例10包括示例8或9中任一项的方法，其包括：利用主导航滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；利用主导航滤波器来估计针对GNSS时钟的偏置和漂移的状态；以及利用主导航滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态，其中估计主导航方案包括估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态。
示例11包括示例1-10中任一项的方法，其包括：基于磁力计测量噪声统计量和对人工航向的姿态误差效应的统计量来估计人工航向的不相关噪声。
示例12包括示例1-11中任一项的方法，其包括：使用方案分离，利用多个子滤波器估计针对主导航方案的多个子方案；计算针对多个子方案中的每一个的航向协方差；计算针对主导航方案的航向协方差；计算针对磁性校准滤波器的航向协方差；基于针对主导航方案的航向协方差、针对多个子方案中每一个的航向协方差、和针对磁性校准滤波器的航向协方差来近似对应于磁性校准滤波器的多个子方案航向协方差；以及基于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的相应分离确定保护限制，所述保护限制约束主导航方案的航向中的误差。
示例13包括示例12的方法，其中近似对应于磁性校准滤波器的多个子方案航向协方差包括根据下式近似n子方案航向协方差，Cov(ψ)n，3-D：
其中γovrb是过界因子，其大于或等于1，Cov(ψ)0，3-D是磁性校准滤波器的航向协方差，Cov(ψ)0，DMHA是主导航滤波器的航向协方差，以及Cov(ψ)n，DMHA是针对主导航滤波器的n子方案的航向协方差。
示例14包括针对对象的导航系统，其包括：一个或多个处理设备；耦合到一个或多个处理设备的一个或多个全球导航卫星系统(GNSS)接收器；耦合到一个或多个处理设备的一个或多个惯性测量单元(IMU)，所述一个或多个IMU 被配置成获得对应于所述对象的三维惯性测量；耦合到一个或多个处理设备的一个或多个磁力计，所述一个或多个磁力计被配置成获得所述对象的位置处的磁场的三维磁性测量；和耦合到一个或多个处理设备并包括指令的一个或多个存储器设备，所述指令当由一个或多个处理设备运行时使一个或多个处理设备：使用三维惯性测量用于预测步骤以及使用来自一个或多个GNSS接收器的数据和三维磁性测量作为测量向量利用磁性校准滤波器来估计针对三维磁性测量的偏置的磁性偏置状态；基于磁性偏置状态计算针对所述对象的人工航向；并使用三维惯性测量用于预测步骤以及使用来自一个或多个GNSS接收器的数据和人工航向作为测量向量利用主导航滤波器来估计针对所述对象的主导航方案。
示例15包括示例14的导航系统，其中估计磁性偏置状态包括估计针对软铁偏置的九个状态和针对硬铁偏置的三个状态。
示例16包括示例14或15中任一项的导航系统，其中计算人工航向包括将人工航向ψma计算为：
其中φ是来自主导航滤波器的所述对象的滚转估计，θ是来自主导航滤波器的所述对象的俯仰估计，ψdec是基于来自主导航滤波器的位置估计的磁偏角，以及被计算为：
其中Dmag是对应于软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置状态向量，以及是三维磁性测量。
示例17包括示例14-16中任一项的导航系统，其中所述指令使一个或多个处理设备：基于磁性偏置状态的统计量和磁偏角统计量利用主导航滤波器来估计人工航向的时间相关偏置，所述磁偏角统计量基于来自主导航滤波器的所述对象的位置估计统计量；以及基于磁力计测量噪声统计量和对人工航向的姿态误差效应的统计量来估计人工航向的不相关噪声。
示例18包括示例17的导航系统，其中所述指令使一个或多个处理设备：利用主导航滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；利用主导航滤波器来估计针对GNSS时钟的偏置和漂移的状态；以及利用主导航滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态，其中估计主导航方案包括估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态。
示例19包括任何示例14-18的导航系统，其中所述指令使一个或多个处理设备：使用方案分离，利用多个子滤波器估计针对主导航方案的多个子方案；计算针对多个子方案中的每一个的航向协方差；计算针对主导航方案的航向协方差；计算针对磁性校准滤波器的航向协方差；基于针对主导航方案的航向协方差和针对多个子方案中每一个的航向协方差之间的比来近似对应于磁性校准滤波器的多个子方案航向协方差，所述比近似等于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的比；以及基于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的相应分离确定保护限制，所述保护限制约束主导航方案的航向中的误差。
示例20包括计算机可读介质，其包括指令，所述指令当由一个或多个处理设备运行时使一个或多个处理设备：使用三维惯性测量用于预测步骤以及使用来自于来自多个全球导航卫星系统(GNSS)卫星的信号的数据和三维磁性测量作为测量向量利用磁性校准滤波器来估计针对三维磁性测量的偏置的磁性偏置状态；其中估计磁性偏置状态包括估计针对软铁偏置的九个状态和针对硬铁偏置的三个状态；将针对所述对象的人工航向ψma计算为：
其中φ是来自主导航滤波器的所述对象的滚转估计，θ是来自主导航滤波器的所述对象的俯仰估计，ψdec是基于来自主导航滤波器的位置估计的磁偏角，以及被计算为：
其中Dmag是对应于软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置状态向量，以及是三维磁性测量；基于磁性偏置状态的统计量和磁偏角统计量利用主导航滤波器来估计人工航向的时间相关偏置的统计量，所述磁偏角统计量基于来自主导航滤波器的所述对象的位置估计统计量；基于磁力计测量噪声统计量和对人工航向的姿态误差效应的统计量来估计人工航向的不相关噪声统计量；利用主导航滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；利用主导航滤波器来估计针对GNSS时钟的偏置和漂移的状态；以及利用主导航滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态，估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态；使用方案分离，利用多个子滤波器估计针对主导航方案的多个子方案；计算针对多个子方案中的每一个的航向协方差；计算针对主导航方案的航向协方差；计算针对磁性校准滤波器的航向协方差；基于针对主导航方案的航向协方差和针对多个子方案中每一个的航向协方差之间的比来近似对应于磁性校准滤波器的多个子方案航向协方差，所述比近似等于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的比；以及基于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的相应分离确定保护限制，所述保护限制约束针对所述对象的航向的状态中的误差。

Claims (4)

1.一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法，该方法包括：
从对应于对象的位置处的多个全球导航卫星系统（GNSS）卫星接收信号；
从对应于所述对象的一个或多个惯性传感器获得三维惯性测量；
从对应于所述对象的一个或多个磁力计获得三维磁性测量；
利用磁性校准滤波器来估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态；
利用磁性校准滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；
利用磁性校准滤波器来估计针对GNSS时钟的偏置和漂移的状态；以及
利用磁性校准滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态；
使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和三维磁性测量利用磁性校准滤波器估计针对三维磁性测量的偏置的九个软铁偏置状态和三个硬铁偏置状态；
作为以下的函数而计算针对所述对象的人工航向：
其中是来自主导航滤波器的所述对象的滚转估计，是来自主导航滤波器的所述对象的俯仰估计，是磁偏角，以及、和是分别在主架中具有分量x、y和z的经校准的磁性测量，其中作为以下的函数而计算：
其中是对应于软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置状态向量，以及是三维磁性测量；
使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和人工航向利用主导航滤波器估计针对所述对象的主导航方案。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
利用主导航滤波器来估计人工航向的时间相关偏置误差，其中估计时间相关偏置误差包括：利用主导航滤波器基于来自磁性校准滤波器的所述对象的磁性偏置状态的统计量，以及通过主导航滤波器基于所述对象的位置估计统计量来估计磁偏角统计量。
3.根据权利要求1所述的方法，包括：
基于磁力计测量噪声统计量和对人工航向的姿态误差效应的统计量来估计人工航向的不相关噪声统计量。
4.根据权利要求1所述的方法，包括：
使用方案分离，利用多个子滤波器估计针对主导航方案的多个子方案；
计算针对多个子方案中的每一个的航向协方差；
计算针对主导航方案的航向协方差；
计算针对磁性校准滤波器的航向协方差；
基于针对主导航方案的航向协方差、针对多个子方案中每一个的航向协方差、和针对磁性校准滤波器的航向协方差来近似对应于磁性校准滤波器的多个子方案航向协方差；以及
基于针对磁性校准滤波器的航向协方差和对应于磁性校准滤波器的每一个子方案航向协方差之间的相应分离确定保护限制，所述保护限制约束主导航方案的航向中的误差。
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