CN106403999A

CN106403999A - 基于gnss的惯性导航加速度计漂移实时补偿方法

Info

Publication number: CN106403999A
Application number: CN201610846737.4A
Authority: CN
Inventors: 相征; 许宝毅; 任鹏; 刘明辉
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xi'an Yanjie Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: CN106403999B

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS的惯性导航加速度计漂移实时补偿方法，主要解决现有技术检测时长和效率低的方法。其技术方案是：1.获取惯性导航系统INS输出的加速度信号，并在上一时刻到当前时刻内对加速度信号进行积分，得到当前时刻惯性导航系统INS测得的速度值；2.获取全球卫星导航系统GNSS当前时刻与上一时刻输出的导航定位信息，推算出由GNSS求得的速度值；3.根据两个系统的速度值计算INS的加速度漂移值，并对下一时刻惯性导航系统加速度计输出值进行补偿。本发明无需频繁地开关机即可对惯性导航系统的速度漂移值进行补偿，具有实时性和精度高的优点，可用对惯性导航系统INS测得的加速度计参数进行校准。

Description

基于GNSS的惯性导航加速度计漂移实时补偿方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，特别是涉及一种加速度计漂移实时补偿方法，可用于惯性导航系统。

背景技术

全球卫星导航系统GNSS，如北斗BD、GPS、GLONASS等，具有全天候，全球覆盖，定速定时高精度，快速省时高效率，应用广泛等优点。

惯性导航系统INS是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。惯性导航系统的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息，具有不依赖环境条件如气象、地形等，导航系统不易受干扰等优点，但是误差会积累，造成输出精度变低，系统产生漂移等。

惯性导航系统的核心器件是加速度计和陀螺仪，利用它们的输出进行坐标变换和积分可解算出航迹。这两种器件的输出都会漂移，而积分运算又会将漂移造成的干扰累积，使得干扰问题进一步严重。

目前比较常用的惯导系统漂移修正方法是零速校正，即确定陀螺仪漂移和加速度计测量误差模型的参数，从而确定在惯导工作时按照陀螺仪漂移和加速度计测量误差模型消除部分误差。但是通过转台等对平台惯导进行标定，步骤繁琐，费时长，效率低，而且标定时反复开关机会造成电机负载波动、有损寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于GNSS的惯性导航系统的加速度计漂移实时补偿方法，以缩短检测时长，提高效率，延长电机寿命。

技术方案

本发明是根据全球卫星导航系统GNSS输出信息的导航定位信息，对惯性导航系统的加速度计漂移进行实时补偿，其实现步骤包括如下：

S1.获取惯性导航系统INS输出的X轴方向加速度信号a_x1和Y轴方向加速度信号a_y1，并在上一时刻t₀到当前时刻t₁内对加速度信号进行积分，计算当前时刻惯性导航系统INS的X轴方向速度值v_x1和Y轴方向速度值v_y1；

S2.获取全球卫星导航系统GNSS当前时刻t₁的定位信息(x₁，y₁)与上一时刻t₀输出的定位信息(x₀，y₀)，计算全球卫星导航系统GNSS的X轴方向速度值v_x和Y轴方向速度值v_y；

S3.计算惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值a_x与Y轴方向加速度漂移值a_y：

S31)根据惯性导航系统INS测得的速度值v_x1与v_y1和全球卫星导航系统GNSS测得的速度值v_x和v_y，得到惯性导航系统INS的X轴方向速度变化斜率v_xd与Y轴方向速度变化斜率v_yd：

S32)对惯性导航系统INS的X轴方向速度变化斜率v_xd与Y轴方向速度变化斜率v_yd进行求导，计算t₀到t₁时间段内惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值a_x与Y轴方向加速度漂移值a_y；

S4.计算惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值变化斜率a_xd与Y轴方向加速度漂移值变化斜率a_yd；

S5.利用S4的结果分别对惯性导航系统INS在下一时刻t₂的X轴方向加速度值a_x2和Y轴方向加速度值a_y2进行补偿，得到补偿后的X轴方向加速度值和Y轴方向加速度值

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于通过计算惯性导航系统INS加速度计的漂移值来进行补偿，无需确定加速度计测量误差模型的参数来消除部分误差，步骤简单，效率高；

2、本发明由于通过计算惯性导航系统INS正常持续工作时的参数进行补偿，无需反复开关机，能延长惯性导航系统中的电机的使用寿命；

3、本发明由于引入全球卫星导航系统GNSS的实时导航信息，误差累积小，精度高，实时性好。

附图说明

图1为现有的GNSS的惯性导航系统图；

图2为本发明的实现流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明使用的GNSS的惯性导航系统，包括GNSS接收机1，INS惯性测量单元2，速度解算模块3，积分模块4，速度斜率计算模块5，微分模块6，漂移值变化率计算模块7和漂移补偿模块8。GNSS接收机模块1接收卫星的导航定位信息并输出至速度解算模块3；速度解算模块3接收GNSS接收机1输出的导航定位信息，计算GNSS接收机1的当前速度，并输出至速度斜率计算模块5；INS惯性测量单元2将当前时刻的加速度信息输出至积分模块4；积分模块4将INS惯性测量单元2的加速度信息进行积分，计算INS惯性测量单元2的当前速度，并输出至速度斜率计算模块5；速度斜率计算模块5分别接收速度解算模块3和积分模块4输出的速度值，计算INS惯性测量单元2速度变化的斜率，并输出至微分模块6；微分模块6对INS惯性测量单元2速度变化的斜率进行微分，计算出INS惯性测量单元2加速度计的漂移值，并将该漂移值输出至漂移值变化率计算模块7；漂移值变化率计算模块7根据INS惯性测量单元2加速度计的漂移值计算上一时刻到当前时刻内INS惯性测量单元2加速度漂移值的变化率，并输出至漂移补偿模块8；漂移补偿模块8计算当前时刻到下一时刻INS惯性测量单元2加速度的漂移值，输出至INS惯性测量单元2，对下一时刻INS惯性测量单元2的加速度值进行补偿。

参照图2，本发明基于上述系统对惯性导航加速度计漂移进行实时补偿的方法，其实现步骤如下：

步骤1，获取当前时刻惯性导航系统INS的加速度。

分别采集惯性导航系统INS的在X轴方向加速度计和Y轴方向加速度计的输出值，得到惯性导航系统INS输出的X轴方向加速度a_x1和Y轴方向加速度a_y1。

步骤2，对惯性导航系统INS的加速度进行积分。

2.1)在上一时刻t₀到当前时刻t₁内，对惯性导航系统INS的X轴方向加速度a_x1进行积分，得到当前时刻惯性导航系统INS的X轴方向速度值v_x1：

2.2)在上一时刻t₀到当前时刻t₁内，对惯性导航系统INS的Y轴方向加速度a_y1进行积分，得到当前时刻惯性导航系统INS的Y轴方向速度值v_y1：

步骤3，获取全球卫星导航系统GNSS的导航定位信息。

采集全球卫星导航系统GNSS输出至惯性导航系统INS经纬度信息，得到全球卫星导航系统GNSS当前时刻t₁的导航定位信息(x₁，y₁)与上一时刻t₀的导航定位信息(x₀，y₀)。

步骤4，计算全球卫星导航系统GNSS的速度值。

4.1)根据将全球卫星导航系统GNSS在当前时刻t₁的X轴方向的导航定位信息x₁与在上一时刻t₀的X轴方向的导航定位信息x₀的差值，与当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到全球卫星导航系统GNSS的X轴方向速度值v_x:

4.2)根据将全球卫星导航系统GNSS在当前时刻t₁的Y轴方向的导航定位信息y₁与在上一时刻t₀的Y轴方向的导航定位信息y₀的差值，及当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到全球卫星导航系统GNSS的Y轴方向速度值v_y:

步骤5，计算惯性导航系统INS的速度变化值。

5.1)根据全球卫星导航系统GNSS在当前时刻t₁的X轴方向速度值v_x与惯性导航系统INS在当前时刻t₁的X轴方向速度值v_x1的差值，及当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到惯性导航系统INS的X轴方向速度变化斜率v_xd：

5.2)根据全球卫星导航系统GNSS在当前时刻t₁的Y轴方向速度值v_y与惯性导航系统INS在当前时刻t₁的Y轴方向速度值v_y1之差，及当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到惯性导航系统INS的Y轴方向速度变化斜率v_yd：

步骤6，计算惯性导航系统INS的加速度漂移值。

6.1)对惯性导航系统INS的X轴方向速度变化斜率v_xd进行微分，得到上一时刻t₀到当前时刻t₁时间段内惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值a_x：

6.2)对惯性导航系统INS的Y轴方向速度变化斜率v_yd进行微分，得到上一时刻t₀到当前时刻t₁时间段内惯性导航系统INS的Y轴方向加速度漂移值a_y：

步骤7，计算当前时刻惯性导航系统INS的加速度漂移值的变化率。

7.1)将惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值a_x，比上当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值变化斜率a_xd：

7.2)将惯性导航系统INS的Y轴方向加速度漂移值a_y，比上当前时刻t₁与上一时刻t₀的差值，得到惯性导航系统INS的Y轴方向加速度漂移值变化斜率a_yd：

步骤8，计算下一时刻惯性导航系统INS的加速度漂移值。

8.1)根据当前时刻INS的X轴方向加速度漂移值的变化率a_xd计算出下一时刻t₂导航系统INS的X轴方向加速度漂移值

8.2)根据当前时刻INS的Y轴方向加速度漂移值的变化率a_yd，计算出下一时刻t₂w导航系统INS的Y轴方向加速度漂移值

步骤9，对下一时刻惯性导航系统INS的加速度进行补偿。

9.1)利用步骤8得到的X轴方向加速度漂移值对性导航系统INS在下一时刻t₂的X轴方向加速度值a_x2进行补偿，得到补偿后的X轴方向加速度值

9.2)利用步骤8得到的Y轴方向加速度漂移值对惯性导航系统INS在下一时刻t₂的Y轴方向加速度值a_y2进行补偿，得到补偿后的Y轴方向加速度值

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种基于GNSS的惯性导航的加速度计漂移实时补偿方法，包括：

\begin{matrix} v_{x d} = \frac{v_{x} - v_{x 1}}{t_{1} - t_{0}} & v_{y d} = \frac{v_{y} - v_{y 1}}{t_{1} - t_{0}} \end{matrix};

a_{x 2}^{g} = a_{x d} (t_{2} - t_{1}) + a_{x 2},

a_{y 2}^{g} = a_{y d} (t_{2} - t_{1}) + a_{y 2} .

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中计算当前时刻惯性导航系统INS的X轴方向速度值v_x1和Y轴方向速度值v_y1，按如下公式计算：

v_{x 1} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t_{1}} a_{x 1} d x

v_{y 1} = {&Integral;}_{t_{0}}^{t_{1}} a_{y 1} d y .

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中计算全球卫星导航系统GNSS的X轴方向速度值v_x和Y轴方向速度值v_y，按如下公式计算：

v_{x} = \frac{x_{1} - x_{0}}{t_{1} - t_{0}}

v_{y} = \frac{y_{1} - y_{0}}{t_{1} - t_{0}} .

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中t₀到t₁时间段内惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值a_x与Y轴方向加速度漂移值a_y，按如下公式计算：

a_{x} = \frac{\partial v_{x d}}{\partial x}

a_{y} = \frac{\partial v_{y d}}{\partial y} .

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中计算惯性导航系统INS的X轴方向加速度漂移值变化斜率a_xd与Y轴方向加速度漂移值变化斜率a_yd，按如下公式计算：

a_{x d} = \frac{a_{x}}{t_{1} - t_{0}}

a_{y d} = \frac{a_{y}}{t_{1} - t_{0}} .