CN106814383B - 一种适用于多种模式下的高精度pos快速对准方法 - Google Patents
一种适用于多种模式下的高精度pos快速对准方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，包括判断POS系统处于静止状态或运动状态，相应选择对准模式为静对准或者动对准；进行静对准或者动对准，同时继续检测系统的运动状态，静对准时采用基于惯性系的对准方式对姿态矩阵进行分解，动对准时采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式；判断对准是否成功，若对准成功则反馈对准结果，若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式，重新对准。本发明适用于陆地、航空、航海等多种工作模式下的高精度定位定姿系统的初始对准，使得系统能够快速有效的获取准确的初始航向和姿态信息。
Description
技术领域
本发明涉及陆地、航空和航海等多种模式下的高精度定位定姿技术领域，尤其涉及一种适用于陆地/航空/航海等多种模式下的高精度定位定姿系统(POS)动态快速对准技术。
背景技术
高精度定位定姿系统是集GPS定位和惯性导航技术于一体的系统，通过采用卡尔曼滤波技术实现数据的融合，POS系统将充分发挥GPS和INS各自的优点，能够为处于陆地/航空/航海模式下的载荷提供实时、高精度的位置、航向、姿态和速度等信息，能为运动载荷的导航和制导提供重要的信息。
随着科技的进步和社会的发展，人们对地理空间信息的获取和更新速度提出了更高的需求，传统的测绘方式已经不能满足这一需求，测绘科技工作者必须寻求更高效、可靠的空间信息获取技术。在这种需求下，移动测量系统应运而生，能够实现陆地、航空、航海等多种模式下的地理空间信息获取，给测绘行业带来了一场信息技术革命。
移动测量系统的运用需要高精度的POS系统提供高精度、可靠的导航信息，目前国外一些公司，如加拿大的Applanix、美国Z/I Imaging和德国IGI等已经开发出相应的机载和车载POS产品并应用于航空摄影和地面空间数据的采集，但其对华实施产品禁运和相关技术封锁。随着我国对惯性测量技术、高精度GPS接收机研究的不断深入，特别是随着我国北斗卫星定位技术的不断发展，研究具有自主知识产权的高精度定位定姿测量系统，并将其用于城市空间地理信息的获取和国土测量等领域中，不但为我国大规模生产实践、国民经济建设、社会发展、人们生活提供必要的基础地理信息，还可使我国在导航技术中有所突破，摆脱对国外技术的依赖。
发明内容
POS系统的动态快速对准技术是保证系统可靠、高效运转的重要技术，针对这一技术难题，本发明在捷联惯导误差模型研究的基础上，提出了一种适用于陆地/航空/航海/多种模式下的高精度POS动态快速对准技术。
本发明采用的技术方案提供一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，包括以下步骤：
步骤1，判断POS系统处于静止状态或运动状态，相应选择对准模式为静对准或者动对准；步骤2，根据步骤1中选择结果，相应进行静对准或者动对准，同时继续检测系统的运动状态；
设惯性坐标系标记为i，地球坐标系标记为e，导航坐标系标记为n，载体坐标系标记为b，
静对准时，采用基于惯性系的对准方式，包括将姿态矩阵分解如下式：
式中，ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系，为t时刻惯性系与n系之间的变换矩阵，由载体的地理位置及粗对准时间t确定；为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵，利用陀螺输出的b系相对ib0系的角运动信息确定；为ib0系与i系之间的变换矩阵，由重力加速度与加速度计输出之间的转换关系求得；
动对准时，采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式；
步骤3，判断对准是否成功，若对准成功则反馈对准结果，若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式，重新对准。
而且，采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式时，在基于SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1和Φk/k-1和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算一步预测误差方差矩阵时，先计算矩阵B＝Φk/k-1Pk-1，再计算矩阵计算B＝Φk/k-1Pk-1时，通过直接展开Φk/k-1Pk-1来表示B的每一个元素。
而且，当POS系统在静态过程中上电启动，若在步骤3中判断对准失败，判定是否执行静态对准的时间已超过预设的时间阈值，若是则转入动对准模式。
而且，变换矩阵求取如下，
其中，t表示对准时间，ωie表示地球自转角速度矢量，λ表示载体所在位置的经度，L表示载体所在位置的纬度，表示e系相对于i系的旋转矩阵，表示n系相对于e系的位置矩阵。
而且，变换矩阵通过捷联惯导姿态更新算法求得。
而且，变换矩阵求取如下，
取t0＜tu≤tv＜td，其中t0为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻，
其中，表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在i系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在i系的投影。
本发明具有下列优点和积极效果：
1)本发明适用于陆地、航空、航海等多种工作模式下的高精度定位定姿系统的初始对准，
使得系统能够快速有效的获取准确的初始航向和姿态信息，具有重要的市场价值；
2)对准时间短，精度高，系统计算量小；
3)可根据系统运动状态自主选择最优的对准方式，自主性好。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。
本发明所提供技术方案，是根据POS系统上电时的运动状态，自动选取对准的方式，以适应陆地/航空/航海等多种模式的应用需求，具体实施时POS系统通过工装与相应载体固连。
当POS系统在静态过程中上电启动时，系统在传统解析式粗对准的基础上，将初始对准姿态矩阵进行分解，使得粗对准具有跟踪载体角运动的功能(具体可参见后续公式(3)，(6)，(15))，降低晃动对系统对准的影响，获得的是粗对准结束时刻的姿态矩阵。
当POS系统在运动过程中开机或者重新启动时，需要利用动基座对准技术，本方案利用GPS轨迹的航迹角对惯导初始方位进行粗对准，一般误差能够控制在10度以内，由于粗对准对水平姿态角的初始值精度要求不高，而载体的水平姿态角一般不大，不妨将其初始化为零，惯导系统的速度初值由GPS提供，这样构成一个小失准角的SINS/GPS对准系统。在利用卡尔曼滤波进行组合导航解算是为了提高解算速度。本方案采用直接展开法，摒弃了程序循环控制计算方法，直接展开法虽然增加了少许程序长度和降低了通用性，但是极大减少了乘法运算次数和程序循环控制开销，有利于减少数值舍入累积误差，直接展开法还考虑了协方差阵的对称性，提高了数值稳定性。
进一步，特殊地，可以当POS系统在静态过程中上电启动，静态对准时间不满足系统需求时，系统将在静态粗对准的基础上迅速转入动基座对准模式，提高对准精度，减少对准时间。
因此，本发明的基本工作原理是：
本发明首先根据POS系统上电前几秒采集的IMU和GNSS数据判断系统的初始状态，并根据相应的状态选择对准模式进行初始对准，并在对准的过程中实时监测系统的运动状态，并根据检测结果对系统的对准模式进行相应的调整。系统在静态模式时，采用基于惯性坐标系的对准技术，快速准确获取载体的初始姿态信息；系统在动态模式时，采用基于快速卡尔曼滤波的动对准技术，快速有效地获取载体的精确姿态角信息。
参见图1，实施例包括以下步骤：
1)判断POS系统处于静止状态或运动状态，相应选择对准模式为静对准或者动对准；POS系统通过工装与载体固连，运动状态一致；
2)根据步骤1)中选择结果，相应进行静对准或者动对准，同时继续检测系统的运动状态；
A.静对准时，采用基于惯性系的对准方式，具体步骤如下：
传统解析式粗对准中，姿态矩阵的计算如下式：
式中，下标中的“i”和“e”分别表示惯性坐标系(i系)和地球坐标系(e系)，gn和为重力加速度矢量和地球旋转矢量在导航坐标系(n系)中的投影，gb和为重力加速度矢量和地球旋转矢量在载体坐标系(b系)中的投影。
如果载体出现较大幅值的晃动干扰，上述粗对准方法可能产生很大误差，为减小晃动对对准的影响，将姿态矩阵分解如下式：
式中，ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系，为t时刻惯性系(i系)与n系之间的变换矩阵，可由载体的地理位置及粗对准时间t确定；为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵，利用陀螺输出的b系相对ib0系的角运动信息，通过捷联惯导姿态更新算法可以求得该矩阵；为ib0系与i系之间的变换矩阵，该矩阵是个常值阵，可由重力加速度与加速度计输出之间的转换关系求得。
a)求解变换矩阵
变换矩阵可由n系相对于e系的位置矩阵和e系相对于i系转过的角度ωiet求得，即
式中，t表示对准时间，ωie表示地球自转角速度矢量，λ表示载体所在位置的经度，L表示载体所在位置的纬度，表示e系相对于i系的旋转矩阵。
b)求解变换矩阵
变换矩阵可通过陀螺采样输出，利用现有技术的捷联惯导姿态更新算法可求得。假设tk时刻和tk+1时刻的变换矩阵分别为和其对应的变换四元数分别为和显然有和其中I表示单位矩阵。再假设tk时刻至tk+1时刻陀螺输出的角增量为Δθk，则利用等效旋转矢量单子样算法可得b系相对于ib0系从tk时刻至tk+1时刻的变换四元数为：
从而可进行四元数更新解算
最后，假设四元数矢量其中q0、q1、q2和q3表示四元数，是表示两个3维空间矢量转换关系的一种方式。则由变换四元数和变换矩阵之间的关系可计算得tk时刻的变换矩阵
变换矩阵的更新解算使得粗对准具有了跟踪载体角运动的功能，获得粗对准结束时刻的姿态矩阵。
c)求解变换矩阵
变换矩阵是个常值矩阵，当载车静止时，该矩阵可由重力加速度在i系的投影gi与加速度计输出在ib0系的投影之间的转换关系求得，即
其中，表示初始对准t0时刻的载体坐标系相对于惯性系(i系)的转换矩阵，另外有：
公式(8)和公式(9)中，表示加速度计输出量在载体系(b系)中的投影，gn表示重力加速度在导航系(n系)中的投影，表示惯性系相对于载体系的转换矩阵。
公式(7)中取两个不同时刻tl时刻和tm时刻(tl<tm)的变换方程，类似于(1)式的方法可得：
当tl时刻与tm时刻很接近时，上式中tl和tm时刻惯性系下的重力加速度分量和几乎平行，为了降低计算误差应使tl适当远离tm。公式(10)中，和表示tl时刻与tm时刻加速度输出量在系中的分量。
由于惯性器件噪声等随机干扰的存在，应对(7)式在tl时刻和tm时刻附近积分，以降低干扰的影响。设tk时刻至tk+1时刻陀螺输出的角增量为Δθk，加速度计输出的比力速度增量为Δvk，类似于捷联惯导速度更新算法，利用速度单子样算法由(8)式可得在ib0系上投影的速度更新算法：
其中，表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在ib0系的投影，tr≤tk；表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在ib0系的投影；另外，将(3)式代入(9)式并从tr时刻至tk时刻积分可得
公式(12)中，g表示重力加速度，表示时刻tr到tk加速度计输出的比力增量在i系的投影，表示导航系(n系)相对于惯性系(i系)的转换矩阵。取t0＜tu≤tv＜td，其中t0为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻，tu、tv为期间的两个时刻，则将(7)式两边都积分可得
式中表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在i系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在i系的投影，并类似于(1)式的方法可得
d)求解粗对准姿态矩阵
将(3)式、(6)式和(15)式代入(2)式即可求得粗对准姿态矩阵
B.动对准时，采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式，具体步骤如下：
a)建立空中动基座对准状态方程如下：
式中，x表示状态向量，表示x的一阶微分，系统状态矩阵Ff
公式(17)中，和表示在导航坐标系(n系)中加速度计输出的比力在x、y、z三个轴向的分量。
b)选择航向、姿态和速度6维状态向量,建立空中动基座对准量测方程如下：
公式(18)中，表示航向、俯仰和横滚，δνn表示速度矢量，T表示向量或者矩阵的转置。
空中动基座对准速度量测方程为
其中，
c)对POS系统进行快速卡尔曼滤波，具体过程如下：
在SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1的225个元素中，仅有71个非零元素(包含13个1元素)，因此在利用转移矩阵Φk/k-1和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算时存在大量的乘0和部分的乘1过程，然而这两种无实质意义的乘法操作都是可以省略的。
SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1可参见相关文献：严恭敏.车载自主定位定向系统研究[D].西安：西北工业大学博士学位论文,2006,5.
改进计算方法的思路是将一步预测误差方差矩阵的计算分为两步，先计算前两矩阵相乘且记为矩阵B＝Φk/k-1Pk-1，再计算矩阵计算B＝Φk/k-1Pk-1时，通过直接展开Φk/k-1Pk-1来表示B的每一个元素，例如，在SINS/GPS中实际编程时B(1,1)直接写成：
式中，B(1,1)表示矩阵元素的临时变量，Φk/k-1(i,j)表示矩阵Φk/k-1第i行第j列元素，Pk-1(i,j)表示矩阵Pk-1第i行第j列元素。计算时，考虑到C是对称矩阵，则只需先展开上三角矩阵(或下三角矩阵)，再利用对称性给另一半矩阵直接赋值即可。
3)判断对准是否成功，若对准成功则反馈对准结果，若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式，重新对准：
由于POS系统内部反馈机制，对准过程完成后，对准函数会反馈对准状态，POS系统会根据对准状态判断对准成功与否。实施例根据POS系统输出的对准状态标志(对准状态字)判断系统对准是否成功，若对准成功则将对准结果反馈给POS系统，若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式，重新对准。此时可以仍然是静止状态则相应选择对准模式为静对准，运动状态则相应选择对准模式为动对准。进一步地，当POS系统在静态过程中上电启动，此时也可以判定是否执行静态对准的时间已超过系统需求(超过预设的时间阈值)，若是则可直接转入动基座对准模式。
以上内容是结合实施例对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，判断POS系统处于静止状态或运动状态，相应选择对准模式为静对准或者动对准；
步骤2，根据步骤1中选择结果，相应进行静对准或者动对准，同时继续检测系统的运动状态；
设惯性坐标系标记为i，地球坐标系标记为e，导航坐标系标记为n，载体坐标系标记为b，
静对准时，采用基于惯性系的对准方式，包括将姿态矩阵分解如下式：
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式中，ib0指初始对准t0时刻的载体坐标系，为t时刻惯性系与n系之间的变换矩阵，由载体的地理位置及粗对准时间t确定；为t时刻b系与ib0系之间的变换矩阵，利用陀螺输出的b系相对ib0系的角运动信息确定；为ib0系与i系之间的变换矩阵，由重力加速度与加速度计输出之间的转换关系求得；
动对准时，采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式；
步骤3，判断对准是否成功，若对准成功则反馈对准结果，若对准失败则根据检测到的载体运动状态调整对准模式，重新对准。
2.根据权利要求1所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于：采用基于快速卡尔曼滤波的对准方式时，在基于SINS/GPS离散模型转移矩阵Φk/k-1和系统状态向量误差方差矩阵Pk-1计算一步预测误差方差矩阵时，先计算矩阵B＝Φk/k-1Pk-1，再计算矩阵计算B＝Φk/k-1Pk-1时，通过直接展开Φk/k-1Pk-1来表示B的每一个元素。
3.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于：当POS系统在静态过程中上电启动，若在步骤3中判断对准失败，判定是否执行静态对准的时间已超过预设的时间阈值，若是则转入动对准模式。
4.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于：变换矩阵求取如下，
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其中，t表示对准时间，ωie表示地球自转角速度矢量，λ表示载体所在位置的经度，L表示载体所在位置的纬度，表示e系相对于i系的旋转矩阵，表示n系相对于e系的位置矩阵。
5.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于：变换矩阵通过捷联惯导姿态更新算法求得。
6.根据权利要求1或2所述适用于多种模式下的高精度POS快速对准方法，其特征在于：变换矩阵求取如下，
取t0＜tu≤tv＜td，其中t0为粗对准开始时刻、td为粗对准结束时刻，
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其中，表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在ib0系的投影、表示时刻t0到tu加速度计输出的比力增量在i系的投影、表示时刻tv到td加速度计输出的比力增量在i系的投影。
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Applications Claiming Priority (1)
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ID=59111290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN201710032696.XA Active CN106814383B (zh) | 2017-01-16 | 2017-01-16 | 一种适用于多种模式下的高精度pos快速对准方法 |
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