CN108267765A - 使用不完整gnss信息的mems组合导航建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,具体按照以下步骤实施,第一步:确定实现组合导航系统所需的外部GNSSNMEA输入报文类型,其接收顺序可向组合系统发送配置命令;第二步:从外部GNSSNMEA信息的GGA报文中提取三维位置信息;第三步:从外部GNSS NMEA信息的RMC报文中提取三维速度信息;第四步:建立三维位置误差的数学模型;第五步:线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数;第六步:建立三维速度误差的数学模型;第七步:线性回归算法确定速度误差模型参数;第八步:运行组合导航算法。本方法突破了常规MEMS组合导航设备的实现限制,将组合导航系统的实现难度大大降低。
Description
技术领域
本发明属于惯性导航与卫星导航技术领域,具体涉及一种使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法。
背景技术
北斗卫星导航系统是与美国GPS、俄罗斯GLONASS以及欧洲GALILEO并驾齐驱的覆盖全球的星基导航系统(GNSS)。卫星导航系统的显著特点是直接提供绝对定位坐标,且误差不随时间积累,但存在无线电信号易受遮挡和干扰的不足。惯性导航系统(InertialNavigation System,INS)能够自主地进行连续的三维空间导航与测姿,不存在信号的电磁干扰或遮挡问题,但惯性导航的不足在于其导航误差会随时间积累,当外界不给予其修正时,误差增长无界。
微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical System)是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的集微型传感器、执行器、信号处理与控制电路、接口电路、通信和电源一体的微型机电系统。MEMS惯性传感器主要指硅微加速度计和硅微陀螺仪这两种惯性传感器。MEMS惯导是基于MEMS惯性传感器的惯性导航系统,导航系统通过加速度计测量载体的三维的线性运动,陀螺测量载体的三维角运动,进而在导航坐标系上进行积分来获取速度、位置和姿态。MEMS惯导继承了传统惯导系统的完全自主性、保密性强、不存在信号的电磁干扰等特点,同时又具有尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高等传统惯导无法比拟的优点。但受制造工艺所限,其用作导航定位时,误差随时间快速积累。
GNSS与MEMS惯导所形成的组合导航系统充分发挥了二者的优势,形成有机互补。优势在于:MEMS惯导在短时间内能够保持较高的精度,且其不受外界工作环境影响;同时,GNSS提供的绝对定位测速信息可以补偿惯导随时间累积的误差,而保证长距离运行中的测量精度。
在常规的GNSS与MEMS惯导的组合系统中,卫星导航需向组合系统提供三维位置、三维速度以及对应的不确定(即误差),这样就对组合在一起的系统提出了较高的结合要求,组合系统要求GNSS提供完整的三维定位测速信息。然而,在卫星导航接收机的输出信息/报文中,目前各个厂家普遍遵循美国国家海洋电子协会(NMEA)所指定的行业标准。NMEA报文所定义的卫星导航信息并非为完整的三维信息,缺少直接的三维速度信息、位置误差、速度误差等内容,不能满足用于组合导航系统或辅助MEMS惯导系统的需求。因此,GNSS与MEMS惯性导航的组合系统无法具有通用性,即所实现的组合系统不能任意更换GNSS接收机。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,该方法仅使用标准通用的NMEA信息报文作为输入,并对NMEA输入的不完整GNSS信息进行数学建模,进而将此模型应用于组合导航系统的导航算法中。
本发明所采用的技术方案是:使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施,
第一步:确定实现组合导航系统所需的外部GNSSNMEA输入报文类型,所述外部GNSSNMEA输入报文类型包括GGA、RMC、GSA、GSV及GLL,其接收顺序可向组合系统发送配置命令;
第二步:从外部GNSSNMEA信息的GGA报文中直接提取三维位置信息,包括经度、维度及高度;
第三步:从外部GNSS NMEA信息的RMC报文中直接提取三维速度信息;
第四步:建立三维位置误差的数学模型;
第五步:线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数;
第六步:建立三维速度误差的数学模型;
第七步:线性回归算法确定速度误差模型参数;
第八步:将第四步与第六步所建立的三维位置与三维速度模型应用于组合导航算法。
本发明的特点还在于,
第三步中,三维速度信息的提取算法为:
VGNSS,N=VGNSScos(A)·cos(p)
VGNSS,E=VGNSS·sin(A)·cos(p)
VGNSS,D=-VGNSS·sin(p)
其中,VGNSS为GNSS在NMEARMC信息中提供的地速,其沿导航坐标系-北、东、地的三个分量分别为VGNSS,N,VGNSS,E,VGNSS,D;A为NMEA信息中提供的航向角;p为载体的俯仰角,该俯仰角由组合导航系统的姿态决定。
第四步中,三维位置误差的数学模型为:
其中,σp,i为三维位置误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
第五步中,线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数的具体算法如下:
fj=α1,j·E+α2,jti(A,VGNSS)+a3,j·hj(Cnj,ej)+α4,j·PDOP+α5,j·VGNSS·Nj+a6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,即由第三步所计算的三维速度信息;α1,j…α8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据的线性回归分析确定。
第六步中,三维速度误差的数学模型为:
其中,σv,i为速度误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;gj,qj分别表示对于第j个卫星系统的速度数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
第七步中,线性回归算法确定速度误差的数学模型参数的具体算法如下:
gj=b1,j·E+b2,jti(A,VGNSS)+b3,j·qj(Cnj,ej)+b4,j·PDOP+b5,j·VGNSS·Nj+b6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,b1,j…b8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据的线性回归分析确定。
本发明的有益效果是:该方法中仅使用标准通用的NMEA信息报文作为输入,并对NMEA输入的不完整GNSS信息进行数学建模,进而将此模型应用于组合导航系统的导航算法中。该实现方法突破了常规MEMS组合导航设备的实现限制,将组合导航系统的实现难度大大降低。对于实现GNSS/MEMS组合系统在广泛载体上的应用有着重要意义。
附图说明
图1是本发明使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,如图1所示,图1为卫星导航NMEA信息输入的MEMS组合导航系统架构图,具体按照以下步骤实施,
第一步:确定实现组合导航系统所需的外部GNSS NMEA输入报文类型,所述外部GNSS NMEA输入报文类型包括GGA、RMC、GSA、GSV及GLL,其接收顺序可向组合系统发送配置命令;
第二步:从外部GNSS NMEA信息的GGA报文中直接提取三维位置信息,包括经度、维度及高度;
第三步:从外部GNSS NMEA信息的RMC报文中直接提取三维速度信息;
第三步中,三维速度信息的提取算法为:
VGNSS,N=VGNSS·cos(A)·cos(p)
VGNSS,E==VGNSS·sin(A)·cos(p)
VGNSS,D=-VGNSS·sin(p)
其中,VGNSS为GNSS在NMEA RMC信息中提供的地速,其沿导航坐标系-北、东、地的三个分量分别为VGNSS,N,VGNSS,E,VGNSS,D;A为NMEA信息中提供的航向角;p为载体的俯仰角,该俯仰角由组合导航系统的姿态决定。
第四步:建立三维位置误差的数学模型;
第四步中,所述三维位置误差的数学模型为:
其中,σp,i为三维位置误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
第五步:线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数;
第五步中,线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数的具体算法如下:
fj=a1,j·E+α2,j·ti(A,VGNSS)+α3,j·hj(Cnj,ej)+α4,j·PDOP+α5,j·VGNSS·Nj+α6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,即由第三步所计算的三维速度信息;a1,j…a8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据(多于20组)的线性回归分析确定。
第六步:建立三维速度误差的数学模型;
第六步中,所述三维速度误差的数学模型为:
其中,σv,i为速度误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;gj,qj分别表示对于第j个卫星系统的速度数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
第七步:线性回归算法确定速度误差模型参数;
第七步中,线性回归算法确定速度误差的数学模型参数的具体算法如下:
gj=b1,j·E+b2,j·ti(A,VGNSS)+b3,j·qj(Cnj,ej)+b4,jPDOP+b5,j·VGNSS·Nj+b6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,b1,j…b8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据(多于20组)的线性回归分析确定。
第八步:将第四步与第六步所建立的三维位置与三维速度模型应用于组合导航算法。
本发明的优点是:该方法中仅使用标准通用的NMEA信息报文作为输入,并对NMEA输入的不完整GNSS信息进行数学建模,进而将此模型应用于组合导航系统的导航算法中。该实现方法突破了常规MEMS组合导航设备的实现限制,将组合导航系统的实现难度大大降低。对于实现GNSS/MEMS组合系统在广泛载体上的应用有着重要意义。
Claims (6)
1.使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施,
第一步:确定实现组合导航系统所需的外部GNSSNMEA输入报文类型,所述外部GNSSNMEA输入报文类型包括GGA、RMC、GSA、GSV及GLL,其接收顺序可向组合系统发送配置命令;
第二步:从外部GNSSNMEA信息的GGA报文中直接提取三维位置信息,包括经度、维度及高度;
第三步:从外部GNSS NMEA信息的RMC报文中直接提取三维速度信息;
第四步:建立三维位置误差的数学模型;
第五步:线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数;
第六步:建立三维速度误差的数学模型;
第七步:线性回归算法确定速度误差模型参数;
第八步:将第四步与第六步所建立的三维位置与三维速度模型应用于组合导航算法。
2.根据权利要求1所述的使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,第三步中,所述三维速度信息的提取算法为:
VGNSS,N=VGNSS·cos(A)·cos(p)
VGNSS,E=VGNSS·sin(A)·cos(p)
VGNSS,D=-VGNSS·sin(p)
其中,VGNSS为GNSS在NMEARMC信息中提供的地速,其沿导航坐标系-北、东、地的三个分量分别为VGNSS,N,VGNSS,E,VGNSS,D;A为NMEA信息中提供的航向角;p为载体的俯仰角,该俯仰角由组合导航系统的姿态决定。
3.根据权利要求2所述的使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,第四步中,所述三维位置误差的数学模型为:
其中,σp,i为三维位置误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
4.根据权利要求3所述的使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,第五步中,线性回归算法确定三维位置误差的数学模型参数的具体算法如下:
fj=α1,j·E+a2,j·ti(A,VGNSS)+α3,j·hj(Cnj,ej)+α4,j·PDOP+α5,j·VGNSS·Nj+α6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,即由第三步所计算的三维速度信息;a1,j…a8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据的线性回归分析确定。
5.根据权利要求2所述的使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,第六步中,所述三维速度误差的数学模型为:
其中,σv,i为速度误差在i方向上的投影,i由导航坐标系定义,即北、东、地导航坐标系;j=1,2,…,M标识卫星星座系统,包括GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略;fj,hj分别表示对于第j个卫星系统的位置数学模型非线性方程;gj,qj分别表示对于第j个卫星系统的速度数学模型非线性方程;E,A,VGNSS,PDOP分别为NMEA信息所提供的水平位置误差、航向、地速以及位置几何精度因子;Cnj,ej,Nj为对应的参与定位的第j个卫星系统的所涉及的卫星载噪比,仰角以及卫星数。
6.根据权利要求5所述的使用不完整GNSS信息的MEMS组合导航建模方法,其特征在于,第七步中,线性回归算法确定速度误差的数学模型参数的具体算法如下:
gj=b1,j·E+b2,j·ti(A,VGNSS)+b3,j·qj(Cnj,ej)+b4,j·PDOP+b5,j·VGNSS·Nj+b6,j
其中,ti(A,VGNSS)为地速在导航系统沿第i方向的投影,b1,j…b8,j分别表示模型中的系数,系数由批量数据的线性回归分析确定。
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