CN112327342A - 一种基于平滑器滤波模型的mimu辅助gnss测姿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星导航定位技术领域,涉及一种基于MIMU平滑器滤波模型的GNSS载波相位测姿方法。一种基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,包括:建立MIMU平滑器的数学模型;设定模型中关键参数;采用所述模型进行MIMU辅助GNSS的组合测姿。本发明设计的平滑器滤波模型,在不涉及GNSS接收机内部信号跟踪过程的前提下,不再是以往简单的将MIMU所提供的姿态角,作为整周模糊度搜索的约束条件,而是MIMU基于自身的基本条件对GNSS姿态测量系统的数据源部分进行有效合理的深度辅助,提高了姿态解算的成功率和工程应用的价值。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域,涉及一种基于MIMU平滑器滤波模型的GNSS载波相位测姿方法。
背景技术
在全球导航卫星系统(GNSS)与微惯性测量单元(MIMU)组合测姿的研究中,目前只是依靠MIMU在外围提供一个小范围的搜索空间,又或者在GNSS接收机前端部分提供辅助跟踪从而减少搜索的带宽。这两种方法前者过于简单,后者对MIMU的精度和稳定性要求很高,同时也需要拆分GNSS接收机的前端电路部分,对低成本的MIMU而言难以达到设计要求且不实际。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明设计了一种MIMU对GNSS姿态测量系统的数据源部分进行有效合理的深度辅助方法,提高了姿态解算的成功率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案为:
一种基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,包括以下步骤:
建立MIMU平滑器的数学模型;
设定模型中关键参数;
采用所述模型进行MIMU辅助GNSS的组合测姿。
作为本发明的一种优选方式,所述MIMU平滑器的数学模型公式如下:
其中,分别是k历元时刻卫星I和J相对于接收天线方向的单位矢量;是k历元时刻双差载波相位的原始输出;是k历元时刻双差载波相位的平滑输出;是k-1历元时刻双差载波相位的平滑输出;是k-1历元时刻基线向量和卫星向量之间的夹角;M,N分别是平滑时间和自适应衰减因子;△δahrs(tk-△tk)是从k-1历元到k历元的姿态信息角ηij变化量,它由MIMU的航姿参考系统计算得出;△tk是不同测量系统的时间延迟。
进一步优选地,所述模型中关键参数的设定方法包括:时间延迟的设定、衰减因子设定及陀螺零位误差的在线标校。
进一步优选地,所述时间延迟的设定方法包括:
第二步:利用航姿参考系统(AHRS)计算出1秒间隔内的姿态信息角变化量如果则时间偏差标志位加一(n=n+1),它表示不同信息源计算得出的角度变化量,由于时间没有对齐而出现角度计算偏离,所以航姿参考系统表示的时间偏差标志位向后移一位;如果则表示两者的姿态信息角对齐误差小于0.1°,此时停止时间后移,求取延迟时间△tk=n/100(100Hz),该时间就是GNSS姿态测量系统相对于航姿参考系统的延迟时间。
进一步优选地,所述衰减因子的设定方法为:
其中,M,N分别是平滑时间和自适应衰减因子;σ是航姿参考系统角度跟踪的动态阈值,σ和M的设定值跟陀螺的标定误差以及随机零位漂移误差有关。
进一步优选地,所述陀螺零位误差的在线标校包括:
第一步:首先求取各自相邻历元的双差载波相位变化量(△r1,…,△rm),然后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量(FLAG)和计数量(n)分别置为0;
第二步:选取各个双差载波相位变化量(|△r1|,…|△rm|)的最大值ρ,同时计数位加一(n=n+1):如果ρ<0.05λ,表示相邻历元的双差载波相位变化量最大波动不超过0.05个波长(如0.05λL1≈0.9515cm),运载体保持基本的静止状态;此时三轴陀螺的累积变化量开始计算其中为三轴陀螺的输出,然后等待下一个历元重复第二步;如果ρ>0.05λ,则返回第一步重新开始;
第三步:如果n>3,表示运载体连续保持静止状态超过4个历元,此时对三轴陀螺的累积量(ah,h=1,…,3)进行统计数学平均,并将平均值(△wx,y,z=ah/(n*100),n=4)作为三轴陀螺的零位误差标校参数(△wx,△wy,△wz),然后状态标志位FLAG置1;
第四步:如果零位误差标校参数的状态标志位FLAG大于0,同时满足(ρ<0.05λ)∩(|△δahrs(tk-△tk)|>0.1°),表示三轴陀螺零位误差参数需要更新,更新的值为(w0,x=△wx,w0,y=△wy,w0,z=△wz),最后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量FLAG和计数量n分别置为0。
作为本发明的一种优选方式,所述MIMU辅助GNSS的组合测姿包括:
以MIMU航姿参考系统的双扩展卡尔曼滤波器为主框架,GNSS姿态测量系统的输出值组成滤波器的观测方程部分,输出方位角、俯仰角和横滚角。
进一步优选地,MIMU测姿系统为GNSS测姿系统提供初始化的约束空间和双差载波相位的平滑滤波;
GNSS测姿系统为MIMU测姿系统提供陀螺零位误差的在线标校和卡尔曼滤波器观测方程的校正量。
本发明的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,具有的有益效果为:
(1)本发明设计的平滑器滤波模型,在不涉及GNSS接收机内部信号跟踪过程的前提下,不再是以往简单的将MIMU所提供的姿态角,作为整周模糊度搜索的约束条件,而是MIMU基于自身的基本条件对GNSS姿态测量系统的数据源部分进行有效合理的深度辅助,提高了姿态解算的成功率和工程应用的价值。
(2)整体组合测姿系统以MIMU航姿参考系统的双扩展卡尔曼滤波器为主框架,GNSS姿态测量系统的输出值组成滤波器的观测方程部分,系统输出方位角、俯仰角和横滚角。此外,MIMU测姿系统为GNSS测姿系统提供初始化的约束空间和双差载波相位的平滑滤波,GNSS测姿系统为MIMU测姿系统提供陀螺零位误差的在线标校和卡尔曼滤波器观测方程的校正量,各个部分紧密联系相互渗透,提升了组合系统的整体性能。
附图说明
图1为本发明实施例中基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法方的流程图;
图2为本发明实施例中一秒间隔的姿态角分辨率(MIMU);
图3为本发明实施例中计算延时时间参数的流程图;
图4为本发明实施例中零位误差参数在线标校流程图;
图5为本发明实施例中静、动态环境下自适应平滑效果图;
其中,(a)为静态环境中平滑滤波数据与原始数据的比较;(b)为动态环境中平滑滤波数据与原始数据的比较;(c)为静态环境中平滑滤波数据与原始数据的一阶差分比较;(d)为动态环境中平滑滤波数据与原始数据的一阶差分比较;
图6为本发明实施例中整体组合方案的框架图。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面结合附图和具体实施例,对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本说明书所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本实施例提供的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,流程如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤1:不同信息源的测量精度分析
虽然双差载波相位模型消除了接收机钟差和卫星钟差,但其代价是双差载波相位噪声量的均方根误差是单差载波相位噪声量△εix的倍,一般在1cm左右,大致为0.05个GPS L1的波长这是影响姿态解算初始化成功率和姿态测量精度的主要误差源。
首先根据双差载波相位姿态测量方程:
其中,是基线向量,ψ,θ是用基线向量表示的方位角和俯仰角;是接收天线到不同GNSS卫星方向的单位矢量之差,αij,βij是其差矢量表示的方位角和俯仰角;ηij是基线矢量与卫星差矢量的夹角;是载波相位双差的整周部分和不足一周部分;是双差测量的系统误差。
其次假设ηij为无误差干扰的姿态信息角,δ是由噪声误差引起的姿态信息误差角,分析双差载波相位噪声误差所引起的姿态信息误差角与基于MIMU的航姿参考系统(AHRS)姿态角分辨率的关系。将公式(1)调整如下:
根据cos(ηij+δ)和cosηij的关系,当ηij=90°时姿态信息误差角δ的分辨率最高,假设此时基线长度|b|=200cm,载波波长λ=19.03cm,卫星几何关系最大值双差载波相位测量噪声的波动幅度0.05λ,将以上设置带入公式(2)则对应最小姿态信息误差角为δ=0.136°。如果基于MIMU的航姿参考系统姿态角分辨率小于0.1°,那么通过MIMU的航姿参考系统便可以对双差载波相位的测量噪声进行平滑。本发明的航姿参考系统采用中低精度的惯性传感器芯片搭建,假如GNSS测姿系统输出频率为1Hz,航姿参考系统输出频率为100Hz,那么相应的航姿参考系统在1秒时间长度内能够达到的姿态角分辨率如图2所示。
从图2中可以看出三个姿态角(方位角、俯仰角、横滚角)在1秒内的姿态分辨率都小于0.1°,也就是说航姿参考系统1秒内的角度分辨误差低于双差载波相位测量噪声所引起的姿态误差角,所以双差载波相位观测量可以被惯性传感器芯片所搭建的航姿参考系统平滑。
步骤2:建立平滑器的数学模型,平滑器数学模型的公式和各个参数的定义如下:
其中,分别是k历元时刻卫星I和J相对于接收天线方向的单位矢量;是k历元时刻双差载波相位的原始输出;是k历元时刻双差载波相位的平滑输出;是k-1历元时刻双差载波相位的平滑输出;是k-1历元时刻基线向量和卫星向量之间的夹角;M,N分别是平滑时间和自适应衰减因子;△δahrs(tk-△tk)是从k-1历元到k历元的姿态信息角ηij变化量,它由MIMU的航姿参考系统计算得出;△tk是不同测量系统的时间延迟。
步骤3:模型中关键参数的设定
S1、关于时间延迟的解决方案
由于GNSS接收机出频率较低,而且信号传输过程也存在延时,所以它的测量数据相对于MIMU系统有比较大的时间延迟(△tk),尤其在动态应用中表现的更为明显。假设GNSS接收机输出频率为1Hz,MIMU系统输出频率为100Hz,那么它们之间时间延迟(△tk)的更新过程如下:
第二步:利用航姿参考系统(AHRS)计算出1秒间隔内的姿态信息角变化量如果则时间偏差标志位加一(n=n+1),它表示不同信息源计算得出的角度变化量,由于时间没有对齐而出现角度计算偏离,所以航姿参考系统表示的时间偏差标志位向后移一位,如果则表示两者的姿态信息角对齐误差小于0.1°,此时停止时间后移,求取延迟时间△tk=n/100(100Hz),这个时间就是GNSS姿态测量系统相对于航姿参考系统的延迟时间,整个过程如图3所示。
S2、衰减因子设定
在平滑器模型的数学公式(3)中平滑时间M和自适应衰减因子N的设定方式如下:
其中,σ是航姿参考系统角度跟踪的动态阈值,σ和M的设定值跟陀螺的标定误差以及随机零位漂移误差有关。
本实施例中,将M设置为4,即平滑时间的长度为4秒,如果平滑时间过长,航姿参考系统的误差将会累积到平滑器中,影响对双差载波相位的跟踪。另外,根据惯性传感器芯片的性能指标和航姿参考系统动态跟踪的实际效果将σ设置为60°,即当1秒内动态范围超过60°时衰减因子N等于平滑时间M,此时公式(3)中的第二项等于零,航姿参考系统停止对双差载波相位的跟踪平滑,当1秒内动态范围小于60°时衰减因子N等于平滑时间M和动态角度△δahrs的复合函数,动态角度越大衰减因子的值就越大,公式(3)第二项的权重就越小,平滑器依赖航姿参考系统的程度也就越小,这样设置是为了防止航姿参考系统过多的动态误差引入平滑器,保障平滑器的可靠性。在实际工程应用中GNSS姿态测量系统的基线长度一般为0.4~2m之间,其安装的运动载体比如车辆、船舶、浮标等在1秒钟内很少有大幅度的角度变化,所以每秒60°的动态阈值完全可以适应工程中的实际应用。
S3、陀螺零位误差的在线标校方法
低成本的MIMU产品比较容易受周围电流波动的影响,随机干扰比较明显。往往在实验室标定的参数放在实际应用环境中出现比较明显的差异,最突出的是不同上电时刻零位偏移的变化,而这些参数的变动将严重影响航姿参考系统的测量精度,因此需要实时的进行检测和标校。本发明采用载波相位辅助的方式,对陀螺的零位误差进行检测和标校。陀螺零位误差在线标校的关键是对运载体状态的准确辨识,最直接的是运载体静止状态的判断,而载波相位的高精度动态性能和无误差累积的特点,为运载体状态的辅助判别提供了支撑。整个陀螺零位误差在线标校的过程如下:
第一步:首先求取各自相邻历元的双差载波相位变化量(△r1,…,△rm),然后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量(FLAG)和计数量(n)分别置为0。
第二步:选取各个双差载波相位变化量(|△r1|,…|△rm|)的最大值ρ,同时计数位加一(n=n+1)。如果ρ<0.05λ,表示相邻历元的双差载波相位变化量最大波动不超过0.05个波长(如0.05λL1≈0.9515cm),运载体保持基本的静止状态。此时三轴陀螺的累积变化量开始计算其中为三轴陀螺的输出,然后等待下一个历元重复第二步,如果ρ>0.05λ,则返回第一步重新开始。
第三步:如果n>3,表示运载体连续保持静止状态超过4个历元,此时对三轴陀螺的累积量(ah,h=1,…,3)进行统计数学平均,并将平均值(△wx,y,z=ah/(n*100),n=4)作为三轴陀螺的零位误差标校参数(△wx,△wy,△wz),然后状态标志位FLAG置1。
第四步:如果零位误差标校参数的状态标志位FLAG大于0,同时满足(ρ<0.05λ)∩(|△δahrs(tk-△tk)|>0.1°),表示三轴陀螺零位误差参数需要更新,更新的值为(w0,x=△wx,w0,y=△wy,w0,z=△wz),最后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量FLAG和计数量n分别置为0。整个标校过程如图4所示。
S4、平滑器模型的实验效果
当卫星矢量和基线矢量之间的夹角ηij为90°时,测量噪声引起的误差角△δ的分辨率是最高的,所以在初始化阶段平滑器滤波模型的矢量夹角ηij设置为90°。本次实验的基线长度固定为|b|=200cm,GNSS姿态测量系统输出频率为1Hz,MIMU的航姿参考系统输出频率为100Hz,时间延迟初始值为△tk=0.5s。MIMU辅助GNSS双差载波相位自适应平滑滤波的效果如图5中(a)、(b)、(c)、(d)所示。
从图5可以看出,双差载波相位的噪声误差经过平滑器滤波模型被明显的抑制和削减,噪声误差的均方根从0.05λL1消减到0.03λL1,说明基于MIMU的平滑器滤波模型设计是合理的,有效提高了双差载波相位测量的精度。
步骤4:组合测姿方案的整体设计
整体设计方案以MIMU航姿参考系统的双扩展卡尔曼滤波器为主框架,其中三轴陀螺仪输出值组成滤波器状态方程的更新矩阵,加速度计/磁传感器和GNSS姿态测量系统的输出值组成滤波器的观测方程部分,系统输出方位角、俯仰角和横滚角。此外,MIMU测姿系统为GNSS测姿系统提供初始化的约束空间和双差载波相位的平滑滤波,GNSS测姿系统为MIMU测姿系统提供陀螺零位误差的在线标校和卡尔曼滤波器观测方程的校正量。方案中各个部分紧密联系相互渗透,提升了组合系统的整体性能,整个组合方案的框架如图6所示。
本发明提供的组合方案不再是以往简单的将航姿参考系统提供的姿态角,作为整周模糊度搜索的约束条件,而是低成本MIMU基于自身性能的基本条件,对GNSS姿态测量系统的数据源部分进行有效合理的深度辅助,提升了低成本器件组合的工程应用价值。
Claims (9)
1.一种基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,包括:
建立MIMU平滑器的数学模型;
设定模型中关键参数;
采用所述模型进行MIMU辅助GNSS的组合测姿。
3.根据权利要求2所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,所述模型中关键参数的设定方法包括:时间延迟的设定、衰减因子设定及陀螺零位误差的在线标校。
4.根据权利要求3所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,所述时间延迟的设定方法包括:
6.根据权利要求3所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,所述陀螺零位误差的在线标校包括:
第一步:首先求取各自相邻历元的双差载波相位变化量(Δr1,…,Δrm),然后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量(FLAG)和计数量(n)分别置为0;
第二步:选取各个双差载波相位变化量(|Δr1|,…|Δrm|)的最大值ρ,同时计数位加一(n=n+1):如果ρ<0.05λ,表示相邻历元的双差载波相位变化量最大波动不超过0.05个波长(如0.05λL1≈0.9515cm),运载体保持基本的静止状态;此时三轴陀螺的累积变化量开始计算其中为三轴陀螺的输出,然后等待下一个历元重复第二步;如果ρ>0.05λ,则返回第一步重新开始;
第三步:如果n>3,表示运载体连续保持静止状态超过4个历元,此时对三轴陀螺的累积量(ah,h=1,…,3)进行统计数学平均,并将平均值(Δwx,y,z=ah/(n*100),n=4)作为三轴陀螺的零位误差标校参数(Δwx,Δwy,Δwz),然后状态标志位FLAG置1;
第四步:如果零位误差标校参数的状态标志位FLAG大于0,同时满足(ρ<0.05λ)∩(|Δδahrs(tk-Δtk)|>0.1°),表示三轴陀螺零位误差参数需要更新,更新的值为(w0,x=Δwx,w0,y=Δwy,w0,z=Δw,最后将三轴陀螺累积变化量(a1,a2,a3)、状态标志量FLAG和计数量n分别置为0。
7.根据权利要求1所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,所述MIMU辅助GNSS的组合测姿包括:
以MIMU航姿参考系统的双扩展卡尔曼滤波器为主框架,GNSS姿态测量系统的输出值组成滤波器的观测方程部分,输出方位角、俯仰角和横滚角。
8.根据权利要求7所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,MIMU测姿系统为GNSS测姿系统提供初始化的约束空间和双差载波相位的平滑滤波。
9.根据权利要求8所述的基于平滑器滤波模型的MIMU辅助GNSS测姿方法,其特征在于,GNSS测姿系统为MIMU测姿系统提供陀螺零位误差的在线标校和卡尔曼滤波器观测方程的校正量。
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