CN105910623B - 利用磁强计辅助gnss/mins紧组合系统进行航向校正的方法 - Google Patents
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Abstract
GNSS/MINS(Global Navigation Satellite System/Micro Inertial NavigationSystem)紧组合导航中，MINS无法完成姿态的初始对准，在紧组合导航中由于航向的可观测性较弱尤其是载体在静止或者直线运动状态时航向容易发散。本发明专利利用MINS模块中集成的磁强计来辅助GNSS/MINS的姿态初始对准。发明了一种方便易行的磁强计校准方法来削弱车辆金属结构产生的干扰磁场对磁强计测量的影响。并且利用校正后的磁强计输出来辅助MINS完成姿态初始对准，同时使用校准后的磁强计输出来辅助紧组合导航系统的航向，从而解决紧组合导航过程中车辆在静止或直线行驶过程中载体航向发散的问题。
Description
技术领域
本发明涉及GNSS/MINS(Global Navigation Satellite System/Micro InertialNavigation System)组合导航系统中惯导初始姿态的确定方法以及GNSS/MINS紧组合导航系统的航向辅助方法，尤其涉及在车载导航应用中，通过车辆的机动对磁强计进行校正，利用校正后的磁强计数据辅助IMU(Inertial Measurement Unit)进行姿态的初始对准，并且在紧组合导航算法中利用磁强计输出计算得到的航向信息辅助紧组合卡尔曼滤波中的姿态估计的方法。从而解决在紧组合导航应用中低精度MINS无法进行初始姿态自对准的问题，同时解决在紧组合算法中由于航向可观测性较差引起的航向发散问题。
背景技术
GNSS具有全天候、全球、快速定位的优势，是当前导航领域主要的导航方法。当观测条件良好时，GNSS设备单独工作就能得到可靠的导航结果。然而在高楼林立的城市、森林、峡谷等恶劣的观测条件下，由于建筑物、树木、山体等遮挡，利用GNSS可能无法进行导航定位。INS利用陀螺和加速度计提供的角速率和比力信息来推算载体的位置、速度、姿态等信息，其不受外界干扰，然而由于受误差积累的影响，导致导航定位解算精度随时间发散。GNSS和INS具有良好的互补性，两者的组合能够提供相较于单一系统更精确、可靠的导航定位结果。在GNSS/INS组合导航中，GNSS提供惯导需要的更新信息，从而抑制惯导信息的发散，当GNSS因为信号受到遮挡或者干扰而中断时，惯导仍能继续工作从而增加系统的可靠性和健壮性。
卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)的组合应用方式可以极大地提高现有导航系统的可用性，有效增强军事装备动态性能和抗干扰能力。目前，GNSS/INS组合导航系统已经获得了一些应用，尤其在军事领域。由于组成INS的惯性传感器普遍比较昂贵，也因此限制了GNSS/INS技术的应用范围。对于军事装备而言，高性能、低成本的导航技术在车辆、飞机、舰船、导弹、信息化弹药、微型卫星等多个应用领域具有十分迫切的需求，以实现系统的高可靠性、高抗干扰能力以及精确制导能力。
传统的惯性导航系统如机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺体积大、重量高、价格昂贵。这些缺点使其应用局限于军事以及航空领域，限制了惯性器件的广泛应用。随着半导体集成电路微细加工技术以及超精密机械加工技术的发展，MEMS(Micro-Electrical-Mechanical System)传感器得到了蓬勃的发展。MEMS IMU具有体积小、重量轻、功耗低、低成本等优点。从而使惯性导航技术逐渐地进入民用如车载导航、无人机导航定位定姿等领域。MINS技术的出现使低成本GNSS/INS组合技术的广泛应用成为可能。
GNSS/INS紧组合导航应用中，导航开始之前需要确定INS的初始姿态信息，中高精度惯导采用解析粗对准方法即能确定出自身的初始姿态信息。解析粗对准的原理如下：如果已知三个向量分别在两个坐标系中的投影，便可以确定出这两个坐标系的转换关系。地球的重力加速度fn和地球的自转运动是两个稳定的信号。高精度的惯导能够测量出这两个信号。除了这两个向量外还需要构造第三个向量。若惯导测量得到的地球重力加速度和自转角速度为和那么可以构造第三个向量来实现初始对准。然而对于低精度的惯导如MEMS INS输出包含了零偏、比例因子、交轴耦合等确定性误差以及高斯白噪声、随机游走等随机噪声，这些误差高达几十°/h甚至几百°/h,而地球自转的角速度约为15°/h导致陀螺无法测量出地球的自转角速度，因此无法完成初始对准。为了解决此问题，本发明专利利用MEMS模块中的磁强计来辅助MEMS INS的初始对准。
在GNSS/INS组合导航卡尔曼滤波算法中，无论是松组合方式还是紧组合方式，载体的航向都是可观测性较弱的信息。当载体处于静止状态或者直线运动状态时，载体的航向可观测性最弱，使得航向观测精度变差，对于低精度惯导如MEMS惯导甚至会出现航向发散现象。现在的MEMS INS中通常都集成了磁强计传感器，利用地磁场在磁强计各轴线上的投影能够求得载体的航向信息，因此可以将磁强计求得的航向信息作为卡尔曼滤波的一个组合量。
利用磁强计来获取航向的前提是磁强计所在的地磁场不受外界的干扰，但是在实际的车载导航应用中，磁强计会受到车辆的金属结构产生的干扰磁场的影响，通常而言，车辆结构产生的干扰磁场的方向相对于车体的方向是固定不变的，在实际的车载导航应用中，由于MEMS INS与车体是固连的，因此干扰磁场在MEMS INS坐标系中的投影也是固定不变的，从而使得干扰磁场被消除成为可能。除了干扰磁场造成的误差，由于制造工艺的限制，磁强计本身存在误差，确定性的误差包括零偏、比例因子、交轴耦合。在高精度的姿态测量中，必须对磁强计进行严格的标定计算得到三种确定性误差。一般为了标定出磁强计本身存在的误差需要借助转台等专业设备，标定方法需要耗费大量的人力、物力，不适用于车载导航应用。在车载导航应用中，干扰磁场对航向测量影响最大，而由于磁强计本身的误差可忽略，针对这种情况本发明专利设计了一种针对车载导航应用的磁强计校准方法，该方法简便易行不需要借助于任何外部设备，同时利用校正后的磁强计输出，来解决GNSS/MINS紧组合导航接收机初始姿态对准以及导航过程中在静止和直线场景下航向发散的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：GNSS/MINS组合导航应用中，MEMS INS无法完成航向的初始对准，以及在导航过程中车辆在直线或者静止状态下，航向的可观测性较弱，导致的航向发散问题。
本发明的主要内容如下：
利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：首先使装有GNSS/MINS紧组合系统的载体进行机动，使载体的航向遍历0～360°，在整个过程中记录组合系统中磁强计的输出，分别计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz；
步骤2：当载体航向遍历0～360°后，使载体静止设定的一段时间，记录组合系统中加速度计的输出，得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，计算得到载体的横滚角φ和俯仰角θ；
步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx,biasy,biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出；
步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，利用磁强计均值以及横滚角和俯仰角计算载体的航向信息，从而完成初始对准；
步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；
完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。
其中，步骤1中磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz的计算方法为：首先使机动车辆航向遍历0～360°，记录车辆机动过程中磁强计X，Y，Z轴的输出，分别计算得到磁强计X轴输出的最大值和最小值Mxmax，Mxmin；Y轴输出的最大值和最小值Mymax，Mymin；Z轴输出的最大值和最小值Mzmax，Mzmin；机动完成后利用下式计算磁强计X，Y，Z轴输出的补偿值：
其中，步骤2中横滚角和俯仰角的计算方法如下：
φ＝atan2(fy,fz) (4)
其中，步骤3中补偿磁强计输出的方法如下：
上式中为磁强计X，Y，Z轴的输出，为磁强计X，Y，Z轴经过补偿后的输出。
其中，步骤4中计算航向角的方法如下：
其中，
θ、φ分别为计算得到的横滚角和俯仰角；γm为初始对准当地的磁偏角，其值可以结合纬度信息查阅资料得到；分别为经过补偿后的磁强计输出的X，Y，Z轴的均值。
附图说明
图1为磁强计校准以及辅助初始对准步骤示意图。
图2为磁强计校准载体运动示意图。
图3为受干扰磁场影响的磁强计在航向遍历0～360°的输出。
图4为经过校准后的磁强计在航向遍历0～360°的输出。
图5为磁强计辅助航向紧组合算法示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：
车载导航应用中，组合导航接收机固定在车体内，导航之前MINS首先需要完成初始对准。MINS的初始位置可以从接收机得到，MINS的初始姿态需要通过磁强计辅助得到。在使用磁强计辅助MINS姿态初始对准前需要对磁强计进行校正，以消除干扰磁场的影响。
初始对准的具体流程如下：
步骤1：开始车辆处于静止状态，给GNSS/MINS组合导航接收机上电，给组合导航接收机上电后不断地记录组合导航接收机中INS天向陀螺的输出。使车辆在开阔场地旋转一周，即使车辆航向遍历0～360°，如图2所示。判断车辆开始旋转的方法为检测天向陀螺的输出是否有大于设定阈值(如10°/s),如果陀螺有大于阈值的输出则认为车辆已经开始了机动。车辆在机动的同时不断记录天向陀螺的输出，当天向陀螺的输出连续10秒小于设定的阈值(如2°/h)，认为车辆机动完成，并且处于静止状态。此时进入步骤2，开始进行姿态初始对准。
如果没有外界磁场的干扰，GNSS/MINS组合导航接收机中磁强计水平方向各轴的最大值和最小值绝对值应该近似相等。但是由于外界干扰磁场的存在，磁强计水平各轴的输出最大值和最小值的绝对值通常不相等。如图3所示，由于车辆的金属结构产生的干扰磁场的影响，在载体航向遍历0～360°后，磁强计输出最大值和最小值的绝对值不相等，需要对磁强计的输出进行校正。图4给出了车载实验中航向遍历0～360°时经过校正后的磁强计的输出。
在此步骤中求取出航向遍历0～360°过程中磁强计X，Y，Z各个轴线输出的最大值和最小值Mxmax、Mxmin，Mymax、Mymin，Mzmax、Mzmin，根据车辆在机动过程中记录的磁强计输出的最大值和最小值来求取磁强计各个轴线的改正值，计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值为：
步骤2：车辆航向遍历0～360°后使车辆静止一定的时间段(如90s)，静止过程中不断地记录加速度计X，Y，Z轴的输出。计算得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，利用下列两式计算得到载体的横滚角和俯仰角：
φ＝a tan2(fy,fz) (14)
步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx，biasy，biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出，补偿方法如下：
上式中为磁强计的原始输出，为校正后的磁强计输出。
步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，在静止过程中不断记录加速度计的输出，并且求取磁强计输出的均值。计磁强计经过校正后的X，Y，Z轴的均值依次为：通过下式计算得到载体的航向信息：
其中，
γm为初始对准当地的磁偏角，其值可以结合纬度信息查阅资料得到。
步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；
根据不同的应用场景紧组合卡尔曼滤波算法可以选择不同数量的状态向量。本实施例选取姿态误差(横滚、俯仰、航向)，位置误差(经度、纬度、高度)，速度误差(东向速度、北向速度、天向速度)，陀螺零偏，加速度计零偏，陀螺比例因子，加速度计比例因子，接收机钟差，钟漂共23个参数作为卡尔曼滤波的状态向量。状态向量如下所示：
在上式中ψN,ψE,ψD依次代表姿态的横滚，俯仰，航向误差；δvN,δvE,δvU依次代表北向、东向、天向速度误差；δrN,δrE,δrD依次代表纬度、经度、高程误差；依次代表陀螺X，Y，Z轴零偏，依次代表加速度计X，Y，Z轴零偏，依次代表陀螺X，Y，Z轴比例因子误差；依次代表加速度计X，Y，Z轴比例因子误差；δtu,δtru依次为接收机的钟差和钟漂。
图5给出了本实施例的卡尔曼滤波紧组合结构。如图5所示卡尔曼滤波紧组合过程包括预测和更新两个过程。预测过程包括状态向量的预测和协方差阵的预测，而更新过程包括状态向量的更新和协方差阵的更新，在更新的过程中卡尔曼滤波估计得到陀螺、加速度计各个轴线的零偏、比例因子误差后，对陀螺、加速度计的原始输出进行反馈补偿。在本实施例中，预测过程频率为100Hz，更新频率为1Hz。
使用磁强计辅助航向信息后的紧组合量测方程为：
Zρ＝HρX+Vρ (22)
其中:
δψ＝ψmag-ψins (25)
ψmag可以通过式(19),(20)计算得到。
在上式中Z1为根据卫导的伪距以及伪距率信息与惯导的当前位置求得的卡尔曼滤波新息，Z2为根据磁强计求得的航向信息与惯导计算得到的航向新息。
H1＝[(Aρ·C1)m×3 0m×3 (Aρ·C1·C2)m×3 0m×12 (Iρ)m×1 0]m×23 (27)
H2＝[0 0 1 01×20]n×23 (28)
Hρ为卡尔曼滤波量测方程的系数矩阵。在传统的紧组合算法中，Hρ即为卫星伪距、伪距率对应的系数，当加入磁强计辅助后，Hρ的行数增加一行，即增加磁强计计算得到的航向信息与惯导计算的航向信息构成的新息对应的系数矩阵，如H2所示。在上式中Aρ中的元素为接收机天线至卫星的几何距离表达式对接收机的X,Y,Z坐标求偏导对应的系数。C1，C2的计算方法如下所示。
上式中λ,h依次代表接收机天线的经度、纬度、大地高信息。RN,RM,e依次代表大地椭球的子午圈半径、卯酉圈半径以及扁率信息。依次代表载体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵以及杆臂向量。
构建完卡尔曼滤波的状态方程和量测方程后可以按照卡尔曼滤波算法估计状态量的改正数。卡尔曼滤波预测更新过程如下：
预测过程：
Pk,k-1＝Φk,k-1Pk-1ΦT k,k-1+Γk,k-1Qk-1ΓT k,k-1 (32)
更新过程：
Pk＝[I-KkHk]Pk,k-1[I-KkHk]T+KkRkKT k (35)
在每次更新完成后得到状态向量后对导航信息以及惯导的原始输出进行反馈补偿。
完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。
Claims (5)
1.利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：首先使装有GNSS/MINS紧组合系统的载体进行机动，使载体的航向遍历0～360°，在整个过程中记录组合系统中磁强计的输出，分别计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz；
步骤2：当载体航向遍历0～360°后，使载体静止设定的一段时间，记录组合系统中加速度计的输出，得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，计算得到载体的横滚角φ和俯仰角θ；
步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx,biasy,biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出；
步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，利用磁强计均值以及横滚角和俯仰角计算载体的航向信息，从而完成初始对准；
步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；
完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。
2.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤1中磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz的计算方法为：首先使机动车辆航向遍历0～360°，记录车辆机动过程中磁强计X，Y，Z轴的输出，分别计算得到磁强计X轴输出的最大值和最小值Mxmax，Mxmin；Y轴输出的最大值和最小值Mymax，Mymin；Z轴输出的最大值和最小值Mzmax，Mzmin；机动完成后利用下式计算磁强计X，Y，Z轴输出的补偿值：
3.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤2中横滚角和俯仰角的计算方法如下：
φ＝atan2(fy,fz) (4)
4.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤3中补偿磁强计输出的方法如下：
上式中为磁强计X，Y，Z轴的输出，为磁强计X，Y，Z轴经过补偿后的输出。
5.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤4中计算航向角的方法如下：
其中，
θ、φ分别为计算得到的俯仰角和横滚角；γm为初始对准当地的磁偏角，其值可以结合纬度信息查阅资料得到；分别为经过补偿后的磁强计输出的X，Y，Z轴的均值。
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