CN108594283A - Gnss/mems惯性组合导航系统的自由安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。该方法可以快速完成惯性传感器的在线动态标定。

Description

GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法

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GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国的重大国家战略，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)。随着北斗三期布网的逐步完善，北斗系统正逐步普及应用于海陆空各类军民载体。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(Inertial Navigation System,INS)能够自主隐蔽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，能跟踪和反映运动载体的机动且输出平稳。但惯性导航的不足在于其导航误差会随时间积累，且误差增长无界。

MEMS(Micro Electronic Mechanical System)惯性传感器主要指MEMS加速度计和MEMS陀螺仪这两种惯性传感器，用于测量运动载体的线加速度和旋转角速度。由MEMS加速度计和MEMS陀螺组成的惯性导航系统继承了传统惯性传感器的完全自主性、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、可靠性高等传统惯性传感器无法比拟的优点。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与惯性传感器相结合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：惯导在短时间内能够保持较高的精度，且由于其不受外界工作环境影响，可以补偿GNSS定位过程中产生的随机误差；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；短时间内惯导的动态信息可以有助于改善GNSS高动态及有干扰环境中的信号失锁和跳变问题。

惯性传感器在导航定位中的使用具有方向性，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。惯性传感器构建的惯导设备三轴轴向与载体轴向的不一致性定义为安装误差，而该安装误差为惯导系统的重要误差源之一。

传统的惯导以及组合导航设备的使用对安装有着严格的要求，即安装时要求加速度计和陀螺的前向轴与载体前向轴保持一致，竖向轴与载体的垂直方向保持一致，第三轴与前向及竖向轴行成三维直角坐标系。但实际中是无法避免安装误差，只能尽可能减少误差。安装误差减小方法通常是在安装导航硬件设备时由精密测量出安装角度，提前将参数离线固化于导航软件中。此方法存在以下缺点：第一，设备使用不方便，不适用于低成本系统的批量化应用；第二，容错性差，因为安装角度误差过度依赖于人为的离线测量结果，一旦出现错误或偏差无法纠错；第三，每台设备需要单独标定安装角度，标定所需时间长、人力物力等成本高；第四，一旦设备被无意移动后，需要重新测量安装角度；第五，为了迁就轴向一致对齐，对载体的预留安装空间有要求，不同载体之间的通用性差；第六，部分常见载体上不具备要求导航设备轴向与载体轴向一致的条件，比如铁路运输载体的往返行程会出现前进轴向与设备轴向相差180度的不一致性，旋翼式飞行器上无明确前进轴向等。综上所述，传统的设备安装方式与技术大大限制了组合导航系统在各类载体上的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，该方法能够在线估计组合导航系统与载体之间的相对安装角度，接受导航系统硬件设备在载体上以任意角度安装放置。

本发明所采用的技术方案是，GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。

本发明的特点还在于，

安装误差角为三维角度，分别为MEMS惯性传感器x、y、z三轴与载体的相对夹角，其假设初值均为0；所述MEMS惯性传感器为三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪，分别用于测量载体的线加速度和角速度；所述的GNSS包括北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略。

加速度计及陀螺的滤波算法如下：

其中，分别为第k时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；分别为第k+1时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；G为滤波增益；f_k+1，i，f_k+1，i分别为第k+1时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据；分别为第i轴的加速度计和陀螺的上电零偏估计值，该值包含重力场沿着各个轴向的投影。

由动态GNSS的速度信息可得到载体加速度a_GNSS，k，具体计算如下：

设a_GNSS，k，i为第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴，i＝1,2,3，的加速度，则a_GNSS，k，i为：

其中，V_{GNSS，k+1，i}和V_GNSS，k，i分别为第k+1及第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴的速度；T_k+1-T_k为k到k+1时刻的时间间隔；

则载体加速度a_GNSS，k为：

由MEMS加速度测量信息可以得到载体在第k时刻的加速度a_k，具体计算如下：

设f_k为由MEMS加速度计测量到包含重力场信息的加速度，则f_k为：

其中，f_k，i为第k时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据，i＝1,2,3；

则载体在第k时刻的加速度a_k为：

a_k＝f_k-g

其中，g为当地重力加速度。

MEMS加速度计和陀螺的上电零偏的算法如下：

其中，为机体坐标系到MEMS惯性传感器坐标系的方向余弦矩阵，其矩阵元素由安装误差角以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿径向安装角—沿纵向安装角—沿竖向安装角。

水平姿态的解耦算法如下：

其中，r，p分别为水平安装角度的横滚角和倾斜角在第k时刻的计算分量；分别为在第k时刻对应的滤波估计量；N_r,N_p分别为在第k时刻对应的滤波增益，通常选取为0到1之间的常值。

使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度的算法与过程如下：

(1)根据GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻的航向角和俯仰角，算法如下：

H_GNSS，k＝tan^-1(V_GNSS，k，e/V_GNSS，k，n)

其中H_GNSS，k，P_GNSS，k分别为当GNSS有充分速度时在k时刻所推算出的载体航向角和俯仰角；V_GNSS，k，i，i＝[enu]^T分别为GNSS沿导航坐标系第i轴的速度，i＝e,n,u，即东北天；

(2)通过H_GNSS，k，P_GNSS，k以及假设导航初始时横滚角度为0，则可构建出机体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵其矩阵元素以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿横滚角—俯仰角—航向角；结合之前根据安装角度得到的可以得到导航坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵：

通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化方法如下：

陀螺角速度输出量在导航坐标系统上的投影为：

其中ω_n，ω_s分别为陀螺在导航系及传感器系上的输出；

当GNSS有充分速度时，GNSS可判断载体处于近似匀速直线运动或静止状态，在此运动状态下，比较连续时刻的ω_n的数值即可确定安装角度是否发生了变化；在安装角度发生变化时，需要重复之前所述算法完成对新安装角度的估计。

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法其优势在于不受载体运动状态限制，计算量小，简单易行，实时性强，可以快速完成惯性传感器的在线动态标定；

(2)本发明方法其优势在于突破了传统的组合导航设备使用时的苛刻要求，无需任何离线的角度标校工作，可在线确定设备与载体之间在任意时刻的安装角度，从而使导航设备实现了任意角度的自由安装，使导航设备可即装即用，不受载体预留安装空间及形状限制，计算量小，实时性强，允许设备安装形式中途发生改变，容错性高，对于实现GNSS/MEMS组合系统的批量化应用有着重要意义。

附图说明

图1是本发明GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法的流程图。

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。

本发明提供一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，如图1所示，是一种利用GNSS速度及重力场投影信息辅助的GNSS/MEMS惯性传感器组合导航系统的在泛载体上的自由安装技术，载体涉及但不限于汽车、火车、自行车、摩托车、小型飞行器，该技术可以在线估计组合导航系统与载体之间的相对安装角度，接受导航系统硬件设备在载体上以任意角度安装放置。具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装误差角度，如前所述，MEMS惯性传感器构建的惯导设备三轴轴向与载体轴向的不一致性定义为安装误差角度，水平安装误差角度是指沿载体径向轴及横向轴的不一致角度的假设值，使估计值收敛于真实的水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向并逐步修正方位安装角度误差(即沿载体竖向轴的不一致角度)；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。

安装误差角为三维角度，分别为MEMS惯性传感器x、y、z三轴与载体的相对夹角，其假设初值均为0。

MEMS IMU指由MEMS惯性传感器构成的测量单元，MEMS惯性传感器为三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪，分别用于测量载体的线加速度和角速度；所述的GNSS指全球卫星导航系统，包括北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略。

第一步：对惯性传感器的数据进行滤波处理，滤波后的数据仍然包含安装角度与重力场投影的耦合，

加速度计及陀螺的滤波算法如下：

其中，分别为第k时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；分别为第k+1时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；G为滤波增益；f_k+1，i，ω_k+1，i分别为第k+1时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据；分别为第i轴的加速度计和陀螺的上电零偏估计值，该值包含重力场沿着各个轴向的投影。

第二步：由动态GNSS的速度信息可得到载体加速度a_GNSS，k，具体计算如下：

设a_GNSS，k，i为第k时刻GNSS沿导航坐标系(通常为东北天或北东地直角坐标系)第i轴，i＝1,2,3，的加速度，则a_GNSS，k，i为：

其中，V_{GNSS，k+1，i}和V_GNSS，k，i分别为第k+1及第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴的速度；T_k+1-T_k为k到k+1时刻的时间间隔；

则载体加速度a_GNSS，k为：

由MEMS加速度测量信息可以得到载体在第k时刻的加速度a_k，具体计算如下：

设f_k为由MEMS加速度计测量到包含重力场信息的加速度，则f_k为：

其中，f_k，i为第k时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据，i＝1,2,3，如前所述，该数据只为滤波后的加速度计输出，但包含上电零偏；

则载体在第k时刻的加速度a_k为：

a_k＝f_k-g

其中，g为当地重力加速度。

第三步：MEMS传感器零偏解耦

根据前一时刻的机体坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵进行传感器零偏解耦，MEMS加速度计和陀螺的上电零偏的算法如下：

其中，为机体坐标系到MEMS惯性传感器坐标系的方向余弦矩阵，其矩阵元素由安装误差角以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿径向安装角—沿纵向安装角—沿竖向安装角。

第四步：水平姿态的解耦算法如下：

其中r，p分别为水平安装角度沿载体纵向轴的误差(即横滚安装角度误差)和沿载体径向轴的误差(即倾斜安装角度误差)在第k时刻的计算分量；分别为对应的滤波估计量；N_r,N_p分别为对应的滤波增益，通常选取为0到1之间的常值。

使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度的算法与过程如下：

(1)根据GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻的航向角和俯仰角，算法如下：

H_GNSS，k＝tan^-1(V_GNSS，k，e/V_GNSS，k，n)

其中H_GNSS，k，P_GNSS，k分别为当GNSS有充分速度时在k时刻所推算出的载体航向角和俯仰角；V_GNSS，k，i，i＝[enu]^T分别为GNSS沿导航坐标系第i轴的速度，i＝e,n,u，即东北天；

(2)通过H_GNSS，k，P_GNSS，k以及假设导航初始时横滚角度为0，则可构建出机体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵其矩阵元素以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿横滚角—俯仰角—航向角；

第五步：建立导航的航向角与方位安装角度之间的相互关系，

结合之前根据安装角度得到的可以得到导航坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵：

该矩阵建立了导航的航向角与方位安装角度之间的相互关系，并可借助GNSS的速度信息完成从载体姿态角度到MEMS惯性传感器安装角度的变换。

第六步：通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化方法如下：

陀螺角速度输出量在导航坐标系统上的投影为：

其中ω_n，ω_s分别为陀螺在导航系及传感器系上的输出；

当GNSS有充分速度时，GNSS可判断载体处于近似匀速直线运动或静止状态，在此运动状态下，比较连续时刻的ω_n的数值即可确定安装角度是否发生了变化；在安装角度发生变化时，需要重复之前所述算法完成对新安装角度的估计。

本发明的优点是：

(1)通过在线估计算法，借助于重力场投影以及GNSS速度信息来确定设备与载体之间在任意时刻的安装角度，从而使导航设备不必需要考虑安装时轴向与载体对齐的问题，做到任意角度的自由安装，设备即装即用，无需任何离线的角度标校工作；

(2)不受载体预留安装空间及形状限制，计算量小，实时性强；

(3)允许设备安装形式中途发生改变，容错性高，有助于实现GNSS/MEMS组合系统的批量化应用。所述MEMS是指微机电系统，所述MEMS惯性传感器是构成MEMS惯性导航系统的核心部件，包括MEMS加速度计和MEMS陀螺仪。

Claims (9)

1.GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。

2.根据权利要求1所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述安装误差角为三维角度，分别为MEMS惯性传感器x、y、z三轴与载体的相对夹角，其假设初值均为0；所述MEMS惯性传感器为三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪，分别用于测量载体的线加速度和角速度；所述的GNSS包括北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略。

3.根据权利要求1所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述加速度计及陀螺的滤波算法如下：

其中，分别为第k时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；分别为第k+1时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；G为滤波增益；f_k+1，i，ω_k+1，i分别为第k+1时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据；分别为第i轴的加速度计和陀螺的上电零偏估计值，该值包含重力场沿着各个轴向的投影。

4.根据权利要求3所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，由动态GNSS的速度信息可得到载体加速度a_GNSS，k，具体计算如下：

设a_GNSS，k，i为第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴，i＝1,2,3，的加速度，则a_GNSS，k，i为：

其中，V_{GNSS，k+1，i}和V_GNSS，k，i分别为第k+1及第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴的速度；T_k+1-T_k为k到k+1时刻的时间间隔；

则载体加速度a_GNSS，k为：

5.根据权利要求4所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，由MEMS加速度测量信息可以得到载体在第k时刻的加速度a_k，具体计算如下：

设f_k为由MEMS加速度计测量到包含重力场信息的加速度，则f_k为：

其中，f_k，i为第k时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据，i＝1,2,3；

则载体在第k时刻的加速度a_k为：

a_k＝f_k-g

其中，g为当地重力加速度。

6.根据权利要求5所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述MEMS加速度计和陀螺的上电零偏的算法如下：

其中，为机体坐标系到MEMS惯性传感器坐标系的方向余弦矩阵，其矩阵元素由安装误差角以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿径向安装角—沿纵向安装角—沿竖向安装角。

7.根据权利要求6所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述水平姿态的解耦算法如下：

其中，r，p分别为水平安装角度的横滚角和倾斜角在第k时刻的计算分量；分别为在第k时刻对应的滤波估计量；N_r,N_p分别为在第k时刻对应的滤波增益，通常选取为0到1之间的常值。

8.根据权利要求7所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度的算法与过程如下：

(1)根据GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻的航向角和俯仰角，算法如下：

H_GNSS，k＝tan^-1(V_GNSS，k，e/V_GNSS，k，n)

其中H_GNSS，k，P_GNSS，k分别为当GNSS有充分速度时在k时刻所推算出的载体航向角和俯仰角；V_GNSS，k，i，i＝[enu]^T分别为GNSS沿导航坐标系第i轴的速度，i＝e,n,u，即东北天；

(2)通过H_GNSS，k，P_GNSS，k以及假设导航初始时横滚角度为0，则可构建出机体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵其矩阵元素以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿横滚角—俯仰角—航向角；结合之前根据安装角度得到的可以得到导航坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵：

9.根据权利要求8所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述的通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化方法如下：

陀螺角速度输出量在导航坐标系统上的投影为：

其中ω_n，ω_s分别为陀螺在导航系及传感器系上的输出；

当GNSS有充分速度时，GNSS可判断载体处于近似匀速直线运动或静止状态，在此运动状态下，比较连续时刻的ω_n的数值即可确定安装角度是否发生了变化；在安装角度发生变化时，需要重复之前所述算法完成对新安装角度的估计。