CN107907900A - 一种gnss双天线辅助的多传感器组合导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统及其导航方法，导航系统包括：传感器组，至少包括气压计、磁力计、加速度计、陀螺仪和GNSS双天线；其中，所述GNSS双天线，其实时测量载体的航向角俯仰角和速度位置，用于初始对准、修正导航系统的姿态速度位置输出；数据管理模块，其连接传感器组，用于对传感器组的数据进行接收与同步、检测和误差补偿。本发明导航系统采用双天线对准模式，启动后即实现导航信息的准确输出，并能实现多种导航组合模式；本发明的导航方法通过应用场景判断，自动调整算法，进行固定增益滤波，保证导航信息的可靠。
Description
技术领域
本发明属于组合导航技术领域，具体涉及一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统及方法。
背景技术
传统组合导航产品采用IMU与GPS组合，过度依赖GPS性能，然而现代城市之中高楼林立树木茂盛，GPS信号易受遮挡，当GPS给出错误观测值时，导致整个导航结果出错，带来了诸多使用局限。纵然使用高精度惯性器件，依然存在初始化时间过长，初始对准复杂问题。还有一些导航产品，当没有GPS信号时，无法提高速度位置信息，无法满足用户需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统，传感器组包括气压计、磁力计、加速度计、陀螺仪和GNSS双天线，实现多种传感器组合导航模式。
本发明还提供一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，数据管理模块根据应用场景识别传感器组合模式，从而进行导航解算。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统，包括：
传感器组，至少包括气压计、磁力计、加速度计、陀螺仪和GNSS双天线；其中，所述GNSS双天线，其实时测量载体的航向角俯仰角和速度位置，用于初始对准、修正导航系统的姿态速度位置输出；
数据管理模块，其连接传感器组，用于对传感器组的数据进行接收与同步、检测和误差补偿。
优选的是，包括多种传感器组合导航模式，分别为陀螺仪与GNSS单天线组合滤波模式、陀螺仪与GNSS双天线组合模式、陀螺仪与磁力计气压计组合模式、气压计与GNSS组合模式、纯陀螺仪模式、室内模式、飞行模式和静止零速修正模式。
优选的是，还包括卡尔曼滤波器，所述卡尔曼滤波器对速度位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波。
本发明的目的还可通过一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法来实现，包括：
数据管理模块对传感器数据进行接收、同步和检测的步骤；
数据管理模块选择传感器组合模式的步骤；
利用选择的传感器组合模式进行导航解算的步骤。
优选的是，所述利用选择的传感器组合模式进行导航解算的步骤包括：陀螺仪和加速度计求解载体水平姿态，并进行载体姿态更新；加速度计和磁力计结合求解磁向角；卡尔曼滤波器接收水平姿态和磁向角，并对姿态进行滤波；陀螺仪和加速度计对速度、位置进行更新，气压计求解气压高度；卡尔曼滤波器对速度位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波。
优选的是，所述选择传感器组合模式的步骤包括：在室外开阔地区，选用GNSS与陀螺仪加速度计组合模式；在室内无GNSS信号时，选用陀螺仪和加速度计纯惯性组合模式；在室外磁干扰小的地区，选用磁力计和陀螺仪加速度计组合模式；在GNSS信号弱的室内或室外、并要求相对高度时，选用气压计陀螺仪加速度计组合模式。
优选的是，所述传感器数据的检测步骤包括：数据管理模块对输入的数据进行完整性检测；若判断数据完整，则数据进入可靠性检测步骤；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；当数据进入可靠性检测步骤，若判断数据正常，则输出数据；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；当数据进入多次异常检测步骤，若判断数据多次异常，则上报故障并隔离产生所述数据的传感器；若判断数据只有一帧异常，则剔除一帧数据。
优选的是，所述完整性检测为：数据与其固定协议格式进行比对，如数据存在格式错乱、丢帧、语句不完整，则判定异常；如数据与固定协议格式相同，则判断数据完整。
优选的是，所述可靠性检测包括陀螺仪和GNSS双天线可靠性检测、磁力计可靠性检测、气压计可靠性检测。
优选的是，还包括在GNSS与陀螺仪加速度计组合模式下的GNSS双天线辅助快速对准方法：加速度计测量比力来确定载体的初始俯仰角、翻滚角，GNSS双天线测量载体的航向角、俯仰角，求出载体的姿态矩阵。
本发明的有益效果是：采用双天线对准模式，快速启动，不需要让用户等待10-15分钟，甚至转圈对准寻北，启动后即实现导航信息的准确输出。在高架桥和市区高楼附近GNSS信号差，给出的位置信息有误时，数据管理模块可以准确剔除，卡尔曼滤波器正常工作，导航信息准确输出。通过应用场景判断，自动调整算法，在没有GPS时，依然可以输出可靠安全姿态数据。利用气压计、磁力计结合，进行固定增益滤波，保证导航信息的可靠。
附图说明
图1本发明GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统的组合模式。
图2本发明的数据管理模块架构图。
图3本发明的数据管理模块的数据检测流程图。
图4本发明的双天线快速对准流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统，包括传感器组、数据管理模块和卡尔曼滤波器。所述传感器组包括气压计、磁力计、加速度计、陀螺仪和GNSS双天线；气压计测量载体的气压高度，可以作为单独气压高度输出，也可和GNSS测量的气压实时比较获得校准参数并在组合导航解算中共享使用，也可以在GNSS信号很差时判断GNSS可用性。磁力计用于实时测量载体的磁向角；陀螺仪，用于实时测量载体的角速率，从而通过积分运算更新载体姿态信息。加速度计，用于实时测量载体的加速度，从而通过积分运算更新载体的速度和位置信息。传感器组中磁力计通过磁场强度、磁通密度解算出磁向角，改正到航向角，再利用加速度计调平翻滚角俯仰角，与陀螺解算出的姿态角，进行固定增益平滑滤波，维持姿态信息的稳定可靠输出。所述卡尔曼滤波器对速度位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波。
GNSS双天线，可以提供载体的航向角和俯仰角；在同一载体上安装两个天线，并且利用两个天线之间的相对载波定位，可以实现GNSS定向定姿态，从而获得载体的航向角和俯仰角，当两个天线距离达到一米左右时，GNSS姿态的精度可以很高，完全满足组合导航姿态精度要求，弥补了惯性导航航向角精度差的缺点，加入GNSS双天线，实现快速对准。
如图2所示，数据管理模块连接气压计、磁力计、加速度计、惯性导航器件和GNSS双天线，数据管理作为主要功能模块之一，承担着传感器数据接收与同步、数据检测、传感器误差补偿、数据存储与发布等功能，驱动着整个系统的运行，是导航系统正常工作的重要保障。在数据、传感器及系统三个级别上对数据进行检测并对其健康状态进行上报，从数据层面提高了导航系统的精度及可靠性。
本发明的多传感器组合导航系统可以应用不同的传感器组合导航模式，导航模式包括陀螺仪与GNSS单天线组合滤波模式、陀螺仪与GNSS双天线组合模式、陀螺仪与磁力计气压计组合模式、气压计与GNSS组合模式、纯陀螺仪模式、室内模式、飞行模式和静止零速修正模式，根据不同的应用场景使用相应的导航模式，从而提高导航精度。
本发明还公开了一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，数据管理模块对传感器数据进行数据解析、数据检测、误差补偿、数据同步、数据整合、数据校验、数据存储等。
其中，图3示出了传感器数据检测的具体步骤，包括：数据管理模块对输入的数据进行完整性检测；若判断数据完整，则数据进入可靠性检测步骤；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；当数据进入可靠性检测步骤，若判断数据正常，则输出数据；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；当数据进入多次异常检测步骤，若判断数据多次异常，则上报故障并隔离产生所述数据的传感器；若判断只有该帧数据异常，则剔除该帧数据。同时，系统需要实时记录对传感器数据健康状态的检测情况，更新健康状态标志变量，以辅助系统进行相应决策，并使用户了解导航系统当前的工作状态。
所述完整性检测为：将传感器数据与其固定协议格式进行比对，如数据存在格式错乱、丢帧、语句不完整，则判定异常；如数据与固定协议格式相同，则判断数据完整。
所述可靠性检测分为：陀螺仪和GNSS双天线可靠性检测、磁力计可靠性检测、气压计可靠性检测。
陀螺仪和GNSS双天线可靠性检测包括：根据载体应用场景，如飞行场景、车载场景、静止场景，室内场景、进行运动约束，对传感器测量输出设定合理范围，对测量输出设定合理的范围，若在此范围内，则认为可用，若超出此范围，则采取限幅措施，并上报超限情况，如静止模式，速度变化不可能大于0.1米/秒，车载模式翻滚角不可能大于15度，飞行模式GNSS卫星数不可能少于7颗。
所述磁力计可靠性检测包括：总磁通密度与标准总磁通密度进行比较，如地磁最大偏差大于10000nT，则数据不可用；如前后地磁最大跳变大于1000nT，则数据不可用，否则认定数据可用。
所述气压计可靠性检测包括：测量气压值与标准气压值进行对比，如气压最大偏差大于1kPa，则数据不可用；如气压最大跳变大于1kPa，则数据不可用；否则认定数据可用。
步骤2、数据管理模块选择传感器组合模式的步骤，包括：增加环境检测和运动约束模块，根据传感器信息和载体运动特性，自适应切换组合模式，不同模式下进行不同的导航结果可靠性输出。其中组合模式包括，IMU与GNSS单天线组合滤波模式、IMU与GNSS双天线组合模式、IMU与磁力计气压计组合模式、气压计与GNSS组合模式、纯IMU模式、室内模式、飞行模式、静止零速修正模式。
在室外开阔地区，选用GNSS与陀螺仪加速度计组合模式；在室内无GNSS信号时，选用陀螺仪和加速度计纯惯性组合模式；在室外磁干扰小的地区，选用磁力计和陀螺仪加速度计组合模式；在GNSS信号弱的室内或室外、并要求相对高度时，选用气压计陀螺仪加速度计组合模式。
步骤3、图1示出了利用选择的传感器组合模式进行导航解算的过程，其具体过程为：将组合滤波模式进行分级，共分五级，从而达到分块分模式滤波的效果，各模块都可以进行组合或者单独使用。陀螺仪和加速度计求解载体水平姿态，并进行载体姿态更新；加速度计和磁力计结合求解磁向角；卡尔曼滤波器接收水平姿态和磁向角，并对姿态进行滤波；陀螺仪和加速度计对速度、位置进行更新，气压计求解气压高度；卡尔曼滤波器对速度位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波。
传感器组合模式的优点为：当没有GNSS或者气压计时，可以进行纯惯性组合模式或磁+陀螺+加计组合模式，两种组合模式输出的姿态信息可以进一步进行融合后输出，作为后面速度位置更新的输入量，当具备GNSS或者气压计时，可以进行速度位置组合模式、或者高度滤波组合模式。当载体静止(或匀速运动)时，加速度计测量的比力仅由重力导致，且该比力方向与当地导航系地向的反方向近似重合。因此，可通过测量比力的方向来确定载体的滚动和俯仰姿态。以利用加速度计和磁力计以及陀螺仪解算输出的姿态信息的差值作为观测量，以IMU线性化的误差方程作为系统方程，通过卡尔曼滤波器对IMU的姿态进行最优估计，并根据估计结果对IMU进行反馈校正。
在另一实施例中，GNSS与陀螺仪加速度计组合模式下，图4示出了GNSS双天线辅助快速对准方法的流程：在静基座下加速度计测得的比力fb(单位为g)来确定载体的初始俯仰角翻滚角，传统GNSS只能提供经纬高位置L、λ、h和速度Vn、Ve、Vd，而GNSS双天线还可以提供高精度的航向角ψ和俯仰角θ，从而不需要任何措施即可快速求出姿态矩阵完成组合导航系统的快速对准。采用GNSS双天线辅助快速对准方法的优点为：1、采用在静基座下加速度计测得的比力来确定载体的俯仰角和翻滚角，而姿态阵的求解还需要载体航向角，而GNSS双天线可以提供高精度的航向角，从而求出快速求解姿态矩阵，不需要进行动对准。2、在惯导INS与GNSS组合的导航系统中，初始对准的精度不仅影响着MIMU惯性器件解算的导航精度，而且影响着与其GNSS集成的组合导航系统精度。早期的初始对准都是在静基座上采用自主式对准来实现，主要利用环架同步器输出直接驱动同轴上的力矩马达，使系统中各个轴接近相互正交，实现对准。传统对准不仅成本高且耗时，随着对准技术不断发展和对准要求的不断提高，为了降低对准成本，开始采用GNSS辅助对准，加速度计的精度相对于陀螺来说要高出一个数量级以上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统，其特征在于，包括：
传感器组，至少包括气压计、磁力计、加速度计、陀螺仪和GNSS双天线；其中，所述GNSS双天线，其实时测量载体的航向角俯仰角和速度位置，用于初始对准、修正导航系统的姿态速度位置输出；
数据管理模块，其连接传感器组，用于对传感器组的数据进行接收与同步、检测和误差补偿。
2.如权利要求1所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航系统，其特征在于，包括多种传感器组合导航模式，分别为陀螺仪与GNSS单天线组合滤波模式、陀螺仪与GNSS双天线组合模式、陀螺仪与磁力计气压计组合模式、气压计与GNSS组合模式、纯陀螺仪模式、室内模式、飞行模式和静止零速修正模式。
3.一种GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，包括：
数据管理模块对传感器数据进行接收、同步和检测的步骤；
数据管理模块选择传感器组合模式的步骤；
利用选择的传感器组合模式进行导航解算的步骤。
4.如权利要求3所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述利用选择的传感器组合模式进行导航解算的步骤包括：
陀螺仪和加速度计求解载体水平姿态，并进行载体姿态更新；
加速度计和磁力计结合求解磁向角；
卡尔曼滤波器接收水平姿态和磁向角，并对姿态进行滤波；
陀螺仪和加速度计对速度、位置进行更新，气压计求解气压高度；
卡尔曼滤波器对速度位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波。
5.如权利要求3所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述选择传感器组合模式的步骤包括：
在室外开阔地区，选用GNSS与陀螺仪加速度计组合模式；
在室内无GNSS信号时，选用陀螺仪和加速度计纯惯性组合模式；
在室外磁干扰小的地区，选用磁力计和陀螺仪加速度计组合模式；
在GNSS信号弱的室内或室外、并要求相对高度时，选用气压计陀螺仪加速度计组合模式。
6.如权利要求4或5所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述传感器数据的检测步骤包括：
数据管理模块对输入的数据进行完整性检测；若判断数据完整，则数据进入可靠性检测步骤；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；
当数据进入可靠性检测步骤，若判断数据正常，则输出数据；若判断数据异常，则数据进入多次异常检测步骤；
当数据进入多次异常检测步骤，若判断数据多次异常，则上报故障并隔离产生所述数据的传感器；若判断数据只有一帧异常，则剔除一帧数据。
7.如权利要求6所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述完整性检测为：数据与其固定协议格式进行比对，如数据存在格式错乱、丢帧、语句不完整，则判定异常；如数据与固定协议格式相同，则判断数据完整。
8.如权利要求7所述的GNSS双天线辅助的多传感器组合导航方法，其特征在于，所述可靠性检测包括陀螺仪和GNSS双天线可靠性检测、磁力计可靠性检测、气压计可靠性检测。
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