CN112050807A - 一种基于时间同步补偿的sins_gnss组合导航方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，在接收到有效秒脉冲信号的中断内，导航计算机读取惯性测量单元数据进行纯惯性解算得到惯导速度和位置信息，并缓存解算前的惯导速度和位置信息；确定秒脉冲信号接收时刻，计算所述秒脉冲信号接收时刻的惯导速度和位置信息并缓存，同时缓存解算后的姿态转换矩阵和角速度；在接收到有效卫星速度和位置信息的中断内，通过杆臂以及缓存的角速度、姿态转换矩阵进行杆臂补偿，得到卫星速度和位置信息；判别是否进行时间同步补偿；若进行补偿，则对同步后的速度和位置信息进行滤波输出，若不补偿，则对同步前的速度和位置信息进行滤波输出。本发明提高了组合导航系统的精度。

Description

一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法。
背景技术
捷联惯导系统(SINS)由陀螺、加速度计、导航计算机等组成可实现自主导航的系统，通过其导航计算机的导航计算，能够提供包括姿态、速度和位置信息，但其误差随时间积累，不能单独长时间工作，需要利用外部传感器的观测信息通过滤波算法来修正补偿SINS系统，以抑制其随时间积累的误差。
考虑到全球导航卫星系统(GNSS)的便捷性和实用性，SINS_GNSS组合导航系统是一种利用GNSS长期定位精度高及SINS短期定位定向精度高实现优势互补的组合导航系统。通常采用卡尔曼滤波去估计惯性导航系统的各误差状态，再用误差状态估值来校正系统，通常需要对导航解算出的姿态、速度、位置误差进行反馈校正，可以在长时间内提供高精度的导航数据。
在实际运行中SINS和GNSS有不同的数据更新率，组合导航中需要考虑到时间同步问题，而大机动环境和杆臂效应的存在会影响时间同步。所以在组合导航中，需要综合考虑大机动环境和杆臂效应的影响来补偿时间同步，最终提高组合导航的精度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，提高了组合导航系统的精度。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，所述方法步骤如下：
步骤一，在接收到有效秒脉冲信号的中断内，导航计算机读取惯性测量单元数据进行纯惯性解算得到惯导速度和位置信息，并缓存解算前的惯导速度和位置信息；确定所述秒脉冲信号接收时刻，根据解算得到的惯导速度和位置信息以及解算前的惯导速度和位置信息计算所述秒脉冲信号接收时刻的惯导速度和位置信息并缓存，同时缓存解算后的姿态转换矩阵和角速度；
步骤二，在接收到有效卫星速度和位置信息的中断内，通过惯导与卫星之间的杆臂以及步骤一缓存的角速度、姿态转换矩阵进行杆臂补偿，得到卫星速度和位置信息；
步骤三，若有效秒脉冲信号接收时刻与有效卫星速度和位置信息接收时刻的时间差不大于卫星信号的更新时间，且惯导在这两个时刻的速度差值和位置差值均不大于设定上限时，则利用惯导在这两个时刻的速度差值和位置差值与步骤二中的卫星速度和位置相加即可得到同步后的速度和位置信息；否则不进行时间同步补偿；
步骤四，若进行时间同步补偿，则对同步后的速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置；若未进行时间同步补偿，则对步骤二中的卫星速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置。
进一步地，所述秒脉冲信号接收时刻采用数字信号处理定时器测量，即有效秒脉冲信号接收时刻与中断开始的间隔时间。
有益效果：
本发明考虑大机动环境、杆臂效应和时间不同步问题，在几乎不占用DSP资源的情况下，得到了准确的量测信息进行卡尔曼滤波，最终提高了组合导航系统的精度。
附图说明
图1为本发明的算法流程图；
图2为中断示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，如图1所示，步骤如下：
步骤一，在接收到有效秒脉冲(PPS)信号的中断内，导航计算机读取惯性测量单元IMU数据进行纯惯性解算得到惯导速度和位置信息，并缓存解算前的惯导速度和位置信息。通过数字信号处理(DSP)定时器测量PPS信号落在中断内的位置，如图2所示，即有效PPS信号接收时刻与中断开始的间隔时间，采用线性插值法根据解算得到的惯导速度和位置信息以及解算前的惯导速度和位置信息计算PPS信号接收时刻的速度和位置信息并缓存，同时缓存解算后的姿态转换矩阵和角速度。
Figure BDA0002614627080000031
式中，v1和P1为PPS信号接收时刻SINS的速度和位置，vPre和PPre为缓存的解算前SINS的速度和位置，vPost和PPost为纯惯性解算后SINS的速度和位置,Tpps为采用DSP定时器测量的PPS信号接收时刻与中断开始的间隔时间，其中定时器采用脉冲计数，dt为中断周期。
步骤二，在接收到有效GNSS速度和位置信息的中断内，首先通过测量的杆臂以及步骤一中缓存的角速度、缓存的姿态转换矩阵进行杆臂补偿，得到GNSS的速度和位置信息，此为PPS信号接收时刻考虑各因素后的准确信息。
其中GNSS速度为：
Figure BDA0002614627080000041
有
Figure BDA0002614627080000042
考虑到在实际应用中
Figure BDA0002614627080000043
的影响很小，上式可以简化为
Figure BDA0002614627080000044
GNSS位置为：
Figure BDA0002614627080000045
Figure BDA0002614627080000046
其中，
Figure BDA0002614627080000047
为GNSS杆臂补偿后的速度，
Figure BDA0002614627080000048
为GNSS杆臂补偿前的速度，
Figure BDA0002614627080000049
为缓存的姿态转换矩阵，
Figure BDA00026146270800000410
为载体系相对地球坐标系在载体系投影的角速度，
Figure BDA00026146270800000411
为地球自转角速度在载体系的投影，
Figure BDA00026146270800000412
为缓存的角速度，δlb为测量的杆臂，具体为GNSS中心相对于IMU在载体坐标系中的位置，δln为杆臂在地理系的投影，δlE、δlN和δlU分别为杆臂的东向、北向和天向投影分量，RMh、RNh分别为由GNSS位置计算的子午圈主曲率半径和卯酉圈主曲率半径。L′GNSS为GNSS补偿后的纬度，L″GNSS为GNSS补偿前的纬度，λ′GNSS为GNSS补偿后的经度，λ″GNSS为GNSS补偿前的经度，h′GNSS为GNSS补偿后的高度，h″GNSS为GNSS补偿前的高度。
步骤三，接下来补偿时间不同步，利用SINS短期精度高的性质，在接收到GNSS速度和位置信息的中断内，导航计算机读取IMU数据进行纯惯性解算得到速度和位置信息，与PPS信号接收时刻的速度和位置信息分别作差，该差值等价于GNSS从PPS信号接收时刻到中断完成时刻的增量，与接收到的GNSS速度和位置信息(即步骤二杆臂补偿后的GNSS速度和位置信息)相加即可得到与SINS相匹配的量测信息。
Figure BDA0002614627080000051
Figure BDA0002614627080000052
其中，v1和P1为PPS信号接收时刻SINS的速度和位置，v2和P2为在GNSS速度和位置信息接收时刻SINS解算出的速度和位置。
但在时间同步补偿之前，需要进行判断，以确定是否需要进行时间同步补偿：
1)考虑到GNSS信息或者PPS信号会出现无效的情况，实际中计算有效PPS信号接收时刻与有效GNSS速度和位置信息接收时刻二者的时间差，该时间差应不大于GNSS信号的更新时间，否则不进行时间同步补偿。
2)考虑到GNSS无效一段时间后重新有效，这段时间内SINS不满足短期精度高的性质，故不应补偿时间同步。一般情况下，接收PPS信号与GNSS速度和位置信息的时间差在一定范围内波动，根据实际运动情况，对SINS在这两个时刻的速度差值和位置差值设定上限，当差值均大于该设定上限时不进行时间同步补偿。
步骤四，若进行时间同步补偿，则对同步后的速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置；若未进行时间同步补偿，则对步骤二中的卫星速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤一，在接收到有效秒脉冲信号的中断内，导航计算机读取惯性测量单元数据进行纯惯性解算得到惯导速度和位置信息，并缓存解算前的惯导速度和位置信息；确定所述秒脉冲信号接收时刻，根据解算得到的惯导速度和位置信息以及解算前的惯导速度和位置信息计算所述秒脉冲信号接收时刻的惯导速度和位置信息并缓存，同时缓存解算后的姿态转换矩阵和角速度；
步骤二，在接收到有效卫星速度和位置信息的中断内，通过惯导与卫星之间的杆臂以及步骤一缓存的角速度、姿态转换矩阵进行杆臂补偿，得到卫星速度和位置信息；
步骤三，若有效秒脉冲信号接收时刻与有效卫星速度和位置信息接收时刻的时间差不大于卫星信号的更新时间，且惯导在这两个时刻的速度差值和位置差值均不大于设定上限时，则利用惯导在这两个时刻的速度差值和位置差值与步骤二中的卫星速度和位置相加即可得到同步后的速度和位置信息；否则不进行时间同步补偿；
步骤四，若进行时间同步补偿，则对同步后的速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置；若未进行时间同步补偿，则对步骤二中的卫星速度和位置信息进行卡尔曼滤波输出惯导的姿态、速度和位置。
2.如权利要求1所述的基于时间同步补偿的SINS_GNSS组合导航方法，其特征在于，所述秒脉冲信号接收时刻采用数字信号处理定时器测量，即有效秒脉冲信号接收时刻与中断开始的间隔时间。
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