CN113758502B - 组合导航处理方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请是关于一种组合导航处理方法及装置。该方法包括:获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据;在所述卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;根据所述更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。本申请提供的方案,能够对惯性导航测量数据进行有效地零速修正,抑制组合导航系统的误差,提高组合导航的精度。
Description
技术领域
本申请涉及导航技术领域,尤其涉及一种组合导航处理方法及装置。
背景技术
GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)是一种常用的室外定位系统,但是由于GNSS定位对环境的要求极高,在复杂环境中(如城市、立交桥、隧道、林荫道等),GNSS卫星信号收到遮蔽物的遮蔽后,信号强度减弱,观测噪声大幅增加,有效数据丢失,使得GNSS基本无法提供精准定位。INS(Inertial Navigation System惯性导航系统)也称惯性参考系统,是一种可不借助外力,不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航系统可以依靠IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)的原始数据,通过积分产生导航信息(位置、载体姿态、实时运动速度等)。由于其不借助外力,可以应用在所有的复杂环境中。但是惯性导航系统的定位误差会随着时间而增大,在需要长时间定位时达不到需要的精度。IMU/GNSS组合导航系统融合了惯性导航系统和GNSS的优点,GNSS可以辅助惯性导航系统克服误差累积的缺点,惯性导航系统也可以在GNSS无法定位时提供定位结果,IMU/GNSS组合导航系统能够实现持续、高精度地定位导航。
然而,IMU/GNSS组合导航系统仍然存在一定的问题。组合导航系统的收敛速度和精度极大依赖于惯性测量单元的零速修正。零速修正是一种通过瞬时零速度来抑制IMU误差累积的方法。零速修正的关键在于零速检测,相关技术的IMU/GNSS组合导航系统中的零速检测通常仅以IMU(包括加速度计和陀螺仪)原始采集的数据(加速度和角速度)作为检测量,通过判断加速度模值、加速度滑动方差、角速度模值与设定的相应阈值的大小关系进行三维状态的零速检测。
IMU零偏误差会随环境温度、电气噪声等因素的变化而变化,并体现出零偏的随机游走现象,导致实际不同时间段静止时,加速度、角速度模值会有一定程度的变化,原本能够有效约束零速判断的相应阈值有可能不再适用。若相应阈值设置过小,则会出现实际处于零速状态而检测为非零速;若相应阈值设置过大,则会出现实际处于非零速状态而检测为零速。这种误判会导致无法有效地进行零速修正,难以及时修正IMU误差和组合导航系统输出的导航信息,无法有效提高导航的精度,也就无法适用更多场景并发挥更大效用。
综上所述,相关技术的零速检测误判率较高,无法对惯性导航测量数据进行有效地零速修正,导致无法有效提高组合导航的精度。
发明内容
为解决或部分解决相关技术中存在的问题,本申请提供一种组合导航处理方法及装置,能够对惯性导航测量数据进行有效地零速修正,抑制组合导航系统的误差,提高组合导航的精度。
本申请第一方面提供一种组合导航处理方法,包括:
获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据;
在所述卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;
根据所述更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。
在一种实施方式中,所述获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据包括:获取惯性测量单元IMU的测量数据和全球导航卫星系统GNSS的观测数据;
所述在所述卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据,包括:在所述GNSS的观测数据可用时,从所述GNSS的观测数据中获取所述GNSS的速度观测值,判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态;
如果所述GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述方法还包括:
如果所述GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;
根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。
在一种实施方式中,所述方法还包括:
在所述GNSS的观测数据不可用时,从所述IMU的测量数据中获取所述IMU的速度测量值,判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态;
如果所述IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述方法还包括:
如果所述IMU的速度测量值处于非零速状态,将所述IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态,包括:判断所述GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:
如果所述GNSS的水平速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,
如果所述GNSS的垂向速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态,包括:判断所述IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:
如果所述IMU的水平速度处于零速状态,将所述IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
如果所述IMU的垂向速度处于零速状态,将所述IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态,包括:判断所述IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述IMU的速度测量值处于非零速状态,将所述IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:
如果所述IMU的水平速度处于非零速状态,将所述IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
如果所述IMU的垂向速度处于非零速状态,将所述IMU的垂向速度作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述判断所述IMU的水平速度是否处于零速状态,包括:
在IMU的水平通道的水平加速度模值满足第一预设条件,水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断所述IMU的水平速度处于零速状态;
或者,
在IMU的水平通道的水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断所述IMU的水平速度处于零速状态;
所述判断所述IMU的垂向速度是否处于零速状态,包括:
在IMU的垂向通道的垂向加速度模值满足第四预设条件、垂向加速度滑动幅值或垂向加速度滑动方差满足第五预设条件、垂向角速度模值或垂向角速度单轴最大输出绝对值满足第六预设条件时,判断所述IMU的垂向速度处于零速状态。
在一种实施方式中,所述判断所述GNSS的水平速度是否处于零速状态,包括:
在GNSS的水平通道的水平速度满足第七预设条件时,判断所述GNSS的水平速度处于零速状态;
所述判断所述GNSS的垂向速度是否处于零速状态,包括:
在GNSS的水平通道的垂向速度满足第八预设条件时,判断所述GNSS的垂向速度处于零速状态。
本申请第二方面提供一种组合导航处理装置,包括:
获取模块,用于获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据;
修正模块,用于在所述获取模块获取的卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;
更新模块,用于根据所述修正模块获得的更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。在一种实施方式中,获取模块获取IMU的测量数据和GNSS的观测数据;
所述修正模块包括:第一零速检测模块,用于在所述获取模块获取的GNSS的观测数据可用时,从所述GNSS的观测数据中获取所述GNSS的速度观测值,判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态;
零速修正模块,用于如果所述第一零速检测模块判断的GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述修正模块还包括:
零偏补偿模块,用于如果所述第一零速检测模块判断的GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。
在一种实施方式中,所述修正模块还包括:
第二零速检测模块,用于在所述获取模块获取的GNSS的观测数据不可用时,从所述IMU的测量数据中获取所述IMU的速度测量值,判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态;
所述零速修正模块还用于如果所述第二零速检测模块判断的IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实施方式中,所述零速修正模块包括:
水平修正子模块,用于如果所述GNSS的水平速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;如果所述IMU的水平速度处于零速状态,将所述IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
垂向修正子模块,用于如果所述GNSS的垂向速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;如果所述IMU的垂向速度处于零速状态,将所述IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
本申请第三方面提供一种电子设备,包括:
处理器;以及
存储器,其上存储有可执行代码,当所述可执行代码被所述处理器执行时,使所述处理器执行如上所述的方法。
本申请第四方面提供一种非暂时性机器可读存储介质,其上存储有可执行代码,当所述可执行代码被电子设备的处理器执行时,使所述处理器执行如上所述的方法。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本申请提供的技术方案,在所述卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;根据所述更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。这样,不再像相关技术那样仅以惯性导航测量数据作为检测量,而是引入卫星导航观测数据用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正惯性导航测量数据误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
进一步的,本申请提供的技术方案,获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据可以是获取惯性测量单元IMU的测量数据和全球导航卫星系统GNSS的观测数据,在GNSS的观测数据可用时,可以从所述GNSS的观测数据中获取所述GNSS的速度观测值,判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态;如果所述GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;再根据所述更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。这样,不再像相关技术那样仅以IMU数据作为检测量,而是引入GNSS速度观测值用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正IMU误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
进一步的,本申请提供的技术方案中,如果所述GNSS的速度观测值处于非零速状态,可以根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。通过将零偏反馈至IMU的输出,可以及时补偿IMU(加速度计和陀螺仪)的零偏,可以提高通过IMU数据进行零速检测时相应预设阈值的有效性。
进一步的,本申请提供的技术方案中,零速检测过程可以按水平与垂向分为两类通道同时进行,分别根据不同条件进行零速判定,实现分通道的零速修正,也即使当导航设备运动状态中只存在某一通道的零速状态时,也能进行部分导航信息的修正,增加了零速修正适用的场景。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本申请。
附图说明
通过结合附图对本申请示例性实施方式进行更详细的描述,本申请的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本申请示例性实施方式中,相同的参考标号通常代表相同部件。
图1是本申请实施例示出的组合导航处理方法的流程示意图;
图2是本申请实施例示出的组合导航处理方法的另一流程示意图;
图3是本申请实施例示出的组合导航处理方法的另一流程示意图;
图4是本申请实施例示出的组合导航处理方法中的IMU水平通道和垂向通道零速检测的流程示意图;
图5是本申请实施例示出的组合导航处理方法中的GNSS的水平通道和垂向通道零速检测的流程示意图;
图6是本申请实施例示出的组合导航处理方法的水平通道和垂向通道零速修正的流程示意图;
图7是本申请实施例示出的组合导航处理装置的结构示意图;
图8是本申请实施例示出的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本申请的实施方式。虽然附图中显示了本申请的实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了使本申请更加透彻和完整,并且能够将本申请的范围完整地传达给本领域的技术人员。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解,尽管在本申请可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本申请范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供一种组合导航处理方法,能够对惯性导航测量数据进行有效地零速修正,抑制组合导航系统的误差,提高组合导航的精度。以下结合附图详细描述本申请实施例的技术方案。
图1是本申请实施例示出的组合导航处理方法的流程示意图。
参见图1,一种组合导航处理方法,包括:
在步骤S101中,获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据。
该步骤可以获取惯性测量单元IMU的测量数据和全球导航卫星系统GNSS的观测数据。本申请中以惯性导航测量数据为IMU的测量数据、卫星导航观测数据为GNSS的观测数据举例说明但不局限于此。
在一种实现方式中,IMU/GNSS组合导航系统可以包括惯性导航系统、GNSS。惯性导航系统可以包括IMU,IMU包括三轴加速度计和三轴陀螺仪,三轴包括X轴、Y轴和Z轴。该步骤获取IMU的测量数据,例如,可以通过三轴加速度计获得三轴加速度,通过三轴陀螺仪获得三轴角速度等。在IMU采集三轴加速度与三轴角速度等作为测量数据时,GNSS同时采集GNSS的观测数据。可以理解的是,IMU的测量数据和GNSS的观测数据在时间上是对齐的。
在步骤S102中,在卫星导航观测数据可用时,根据卫星导航观测数据对惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据。
该步骤中,在GNSS的观测数据可用时,从GNSS的观测数据中获取GNSS的速度观测值,判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态;如果GNSS的速度观测值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在一种实现方式中,在GNSS的观测数据可用的情况下,获取GNSS的导航信息,该导航信息可以包括位置信息、速度信息、姿态信息。其中速度信息可以作为速度观测值,可以包括GNSS的水平速度和垂向速度。
该步骤可以判断GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态。
如果GNSS的水平速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,如果GNSS的垂向速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在步骤S103中,根据更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。
该步骤中,可以根据更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
在一种实现方式中,可以根据零速修正后获得的相应的修正后的IMU测量数据,根据修正后的IMU测量数据,可以更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
本申请实施例中,在卫星导航观测数据可用时,根据卫星导航观测数据对惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;根据更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。这样,不再像相关技术那样仅以惯性导航测量数据作为检测量,而是引入卫星导航观测数据用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正惯性导航测量数据误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
图2是本申请实施例示出的组合导航处理方法的另一流程示意图。图2相对于图1更详细描述了本申请的技术方案。
参见图2,一种组合导航处理方法,包括:
在步骤S201中,获取IMU的测量数据和GNSS的观测数据。
在步骤S202中,判断GNSS的观测数据是否可用,如果可用,进入步骤S203,如果不可用,进入步骤S205。
在步骤S203中,在GNSS的观测数据可用时,从GNSS的观测数据中获取GNSS的速度观测值,判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态。
在一种实现方式中,在GNSS的观测数据可用的情况下,获取GNSS的导航信息,该导航信息可以包括位置信息、速度信息、姿态信息。其中速度信息可以作为GNSS的速度观测值,可以包括GNSS的水平速度和垂向速度。
该步骤可以判断GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态。
在步骤S204中,如果GNSS的速度观测值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,进入步骤S207。
该步骤可以包括:如果GNSS的水平速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,如果GNSS的垂向速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
在步骤S205中,在GNSS的观测数据不可用时,从IMU的测量数据中获取IMU的速度测量值,判断IMU的速度测量值是否处于零速状态。
IMU的速度测量值可以包括IMU的水平速度或垂向速度,该步骤可以判断IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态。
在步骤S206中,如果IMU的速度测量值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,进入步骤S207。
该步骤中,如果IMU的水平速度处于零速状态,将IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,如果IMU的垂向速度处于零速状态,将IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
在步骤S207中,根据更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
在一种实现方式中,可以根据零速修正后获得的相应的修正后的IMU测量数据,根据修正后的IMU测量数据,可以更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
本申请实施例中,在GNSS的观测数据可用时,可以判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态来进行相应处理;另外在GNSS的观测数据不可用时,可以从IMU的测量数据中获取IMU的速度测量值,判断IMU的速度测量值是否处于零速状态,然后进行相应处理;从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正IMU误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
图3是本申请实施例示出的组合导航处理方法的另一流程示意图。图3相对于图2更详细描述了本申请的技术方案。
本申请实施例针对相关技术中存在的问题进行改进,包括:1)在卫星信号质量可靠时,引入GNSS速度观测值用于零速检测,同时经IMU/GNSS进行卡尔曼滤波组合后估计出IMU的零偏,将该零偏反馈至IMU的输出,及时补偿加速度计和陀螺仪的输出;在卫星信号不佳甚至失效时,采用由最新更新的IMU零偏补偿量修正后的加速度角速度值进行零速检测,以使其零偏误差限制在较小水平,确保相应判断阈值的有效性;2)将零速检测分为水平与垂向两个通道,相应判断条件也分为水平与垂向两个通道进行。在任一通道检测为零速状态时,均可以对组合导航的算法更新进行相应修正,最大限度提高导航精度。
参见图3,一种组合导航处理方法,包括:
在步骤S301中,初始化IMU/GNSS组合导航系统。
在一实施方式中,IMU/GNSS组合导航系统可以包括惯性导航系统、GNSS。惯性导航系统可以包括IMU,IMU包括三轴加速度计和三轴陀螺仪,三轴包括X轴、Y轴和Z轴。在IMU/GNSS组合导航系统开始进行组合导航时,完成对IMU/GNSS组合导航系统的上电初始化。初始化包括位置初始化、速度初始化、姿态初始化等。其中,可以采用GNSS提供的位置和姿态信息进行惯性导航系统的初始化。位置初始化包含但不仅限于将GNSS提供的位置设置为惯性导航系统的初始位置;速度初始化包含但不仅限于让IMU/GNSS组合导航系统处于静止状态,设置惯性导航系统和GNSS的初始速度为零;姿态初始化包含但不仅限于通将GNSS提供的姿态信息设置为惯性导航系统的初始姿态信息。IMU/GNSS组合导航系统的初始化,能够使惯性导航系统的测量数据和GNSS的观测数据在时间上对齐。
在步骤S302中,获取IMU的测量数据和GNSS的观测数据。
该步骤获取IMU的测量数据,IMU的测量数据中可以包括IMU的速度测量值,IMU的速度测量值可以包括IMU的水平速度和垂向速度等。IMU的水平速度又可以包括水平加速度和水平角速度等,IMU的垂向速度又可以包括垂向加速度和垂向角速度等。
例如,可以通过IMU的三轴加速度计获得三轴加速度通过三轴陀螺仪获得三轴角速度/>在三轴加速度计采集三轴加速度与三轴陀螺仪采集三轴角速度时,GNSS可以同时采集卫星信号,获得GNSS的观测数据。
GNSS的观测数据中可以包括GNSS的速度观测值,GNSS的速度观测值可以包括GNSS的水平速度和垂向速度等。
在步骤S303中,对IMU的测量数据进行惯性导航解算,获得惯性导航系统的导航信息。
在一种实现方式中,根据IMU的测量数据进行惯性导航解算,例如进行捷联惯导结算。
惯性导航系统可以根据三轴加速度和三轴角速度进行惯性导航解算,获得惯性导航系统的导航信息,该导航信息包括位置信息、速度信息、姿态信息等。其中速度信息可以作为IMU的速度测量值,IMU的速度测量值可以包括IMU的水平速度或垂向速度等。
在一种实现方式中,惯性导航系统根据三轴角速度采用姿态矩阵链乘方法更新惯性导航系统的姿态矩阵:
式中, 为第m个采样时刻从b系(IMU体坐标系)到n系(地理导航系)的旋转矩阵,/>为n系(地理导航系)第m-1到第m个采样时刻的旋转矩阵,/>为第m-1个采样时刻从b系(IMU体坐标系)到n系(地理导航系)的旋转矩阵,/>为b系(IMU体坐标系)第m-1到第m个采样时刻的旋转矩阵,/>为第m-1到第m个采样时刻b系(IMU体坐标系)的等效旋转矢量,可通过对陀螺仪的三轴角速度进行积分和多子样算法得到,MRV代表等效旋转矢量到旋转矩阵变换的罗德里格公式,/>为第m-1到第m个采样时刻n系相对i系(惯性坐标系)的旋转矢量,T表示转置。然后,可以通过/>更新惯性导航系统的姿态,也即进行惯导速度更新。
在一种实现方式中,惯性导航系统更新的速度为:
式中,为第m个采样时刻地理导航系(n系)下的速度,/>为第m-1个采样时刻地理导航系(n系)下的速度,/>为IMU体坐标系(b系)下的比力增量/>在地理导航系(n系)下的投影,通过对加速度计的三轴加速度进行积分解算获得。为提高精度,可加入地理导航系(n系)旋转修正、旋转效应和划桨效应补偿:
其中,为重力加速度、地理导航系(n系)在地球表面旋转引起的哥氏加速度、向心加速度等有害加速度的补偿量。
在一种实现方式中,惯性导航系统更新的位置为:
式中,pm为第m个采样时刻地理导航系(n系)下的位置,pm-1·为第m-1个采样时刻地理导航系(n系)下的位置,Mpv(m-1/2)为上述Mpv矩阵使用外推法在(m-1/2)个采样点时刻的实际矩阵值,RNh为卯酉圈半径,RMh为为子午圈半径,MRV为等效旋转矢量到旋转矩阵变换的罗德里格公式,为第m-1个采样时刻地理导航系(n系)下的速度,/>为第m个采样时刻地理导航系(n系)下的速度,p中三个元素分别为L纬度、λ经度、h高度,Tm为采样周期。
至此,该步骤完成基于IMU的测量数据的惯导结算。
在一种实现方式中,IMU体坐标系(b系)可以是载体坐标系。载体坐标系原点O在载体的质心,OX轴和OY轴在当地水平面内,OX轴指向载体的右侧,OY轴沿载体纵轴方向并指向前,OZ垂直于载体竖直向上。载体坐标系构成右手直角坐标系,当载体没有俯仰、倾斜时,OX、OY即为水平面,OZ轴沿垂线指向天顶。载体坐标系相对于地理坐标系所确定的状态可以用姿态角来表示。
地理导航系(n系)可以是地理坐标系。地理坐标系取载体重心或地球表面某一点为原点O,OX轴在当地水平面内指东,OY轴与当地子午线一致指向真北,OZ轴沿当地垂线指天向上,形成右手坐标系。常用的地理坐标系有:“东—北—天”坐标系。
惯性坐标系(i系)是相对惯性空间静止或作匀速直线运动的参考坐标系,相对恒星所确定的参考系称为惯性空间。如地心惯性坐标系,地心惯性坐标系原点O取在地心,Z轴与地球自转轴一致,X、Y轴在赤道平面内,构成右手直角坐标系。地心惯性坐标系不参与地球的自转运动,即其三根坐标轴在惯性空间的方向保持不变。
在一种实现方式中,可以对获得的IMU的测量数据进行惯导解算,通过积分等方式的数据处理,惯导解算获得IMU的惯性导航姿态矩阵、惯性导航速度、惯性导航位置。其中,可以采用欧拉角、旋转矩阵、四元数等矩阵表示惯性导航姿态矩阵。
在步骤S304中,判断GNSS的观测数据是否可用;如果GNSS的观测数据可用,执行步骤S306;如果GNSS的观测数据不可用,执行步骤S305。
该步骤中判断GNSS的观测数据是否可用,也即根据GNSS卫星观测质量参数进行判断。该步骤可以根据GNSS的相关状态位、解算星数、精度因子等卫星观测质量参数综合来评估GNSS的观测数据是否可用,也即判断GNSS的定位信息和速度信息等导航信息是否是否可用。如果GNSS的观测数据可用,执行步骤S306;如果GNSS的观测数据不可用,执行步骤S305。
在步骤S305中,在GNSS的观测数据不可用时,从IMU的测量数据中获取IMU的速度测量值,判断IMU的速度测量值是否处于零速状态,如果是,进入步骤S307,如果否,进入步骤S310。
该步骤S305的详细流程可以参见图4中的描述。
在步骤S306中,在GNSS的观测数据可用时,从GNSS的观测数据中获取GNSS的速度观测值,判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态,如果是,进入步骤S307,如果否,进入步骤S308。
该步骤S306的详细流程可以参见图5中的描述。
在步骤S307中,进行零速修正。
如果IMU的速度测量值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。其中,可以包括:如果IMU的水平速度处于零速状态,将IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,如果IMU的垂向速度处于零速状态,将IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
如果GNSS的速度观测值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。其中,可以包括:如果GNSS的水平速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,如果GNSS的垂向速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
该步骤S307的详细流程可以参见图6中的描述。
在步骤S308中,如果GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据IMU的误差量和GNSS的误差量进行卡尔曼滤波运算,获得IMU的零偏,分别进入步骤S309和步骤S310。
在一种实现方式中,如果GNSS的观测数据可用,且GNSS的水平速度和垂向速度都处于非零速,可以根据IMU的误差量和GNSS的误差量进行设定运算,例如进行卡尔曼滤波算法运算,获得IMU加速度计和陀螺仪的零偏。
惯性导航系统通过对三轴加速度计获得的三轴加速度和三轴角速度/>进行惯性导航解算,获得惯性导航系统的姿态信息、速度信息和位置信息;GNSS通过GNSS的观测数据,获得GNSS的姿态信息、速度信息和位置信息。
其中,可以基于惯性导航系统的误差量和GNSS的误差量建立状态空间方程:
为15维状态量,φT为失准角误差,δvn为速度误差,δp为位置误差,εb为陀螺仪零偏,/>为加速度计零偏,上述误差均为三维矢量。/>
状态矩阵其中,
Mvv=Avn·Mav-Awn,
Mvp=Avn·(Mp1+Map),
其中,噪声矩阵Wb=[wgx,wgy,wgz,wax,way,waz]T,噪声矩阵为陀螺仪和加速度计的零偏白噪声。
噪声分配矩阵
观测矩阵H:
由该状态空间方程和必要的初始条件即可进行线性卡尔曼滤波融合解算,并估计得到陀螺仪的三轴零偏εb=[εx,εy,εz]T和加速度计的三轴零偏
上述公式中,□为更新后的状态;F为状态矩阵;X为初始状态;G为噪声分配矩阵;Wb为噪声矩阵,为陀螺仪和加速度计的零偏白噪声;Z为测量值(观测值),是滤波的输入;为惯性导航系统在地理导航坐标系下的速度;/>为GNSS卫星导航系统在地理导航坐标系下的速度;pINS为惯性导航系统输出的位置;pGNSS为GNSS卫星导航系统输出的位置;H为观测矩阵;V为组合导航系统的速度;Maa、Mav、Map、Mva、Mvv、Mvp、Mpv、Mpp、Mp1为状态矩阵F中的参数;/>为从b系(IMU体坐标系)到n系(地理导航系)的旋转矩阵;/>分别为地理导航坐标系相对于惯性坐标系下的角速度在地理导航坐标系X、Y、Z轴的表示;wie为地球角速度;L为车辆所在的纬度;h为车辆所在的高度;VE、VN、VU分别为地理导航坐标系(东北天坐标系)下东向、北向、天向的速度;RN为;RM为;fE、fN、fU分别为地理导航坐标系(东北天坐标系)下加速度计东向、北向、天向的输出;Avn为;Awn为;/> 分别为地球角速度在地理导航坐标系Y、Z轴的表示;T表示转置。
在步骤S309中,根据获得的IMU的零偏,对IMU的测量数据进行零偏补偿,返回步骤S302。
在一种实现方式中,在获得IMU的加速度计和陀螺仪的零偏估计后,可以将该零偏和εb反馈至IMU的采集过程,分别对采集到的加速度计的三轴加速度a′i=[ax′i,ay′i,az′i]T和陀螺仪的三轴角速度w′i=[wx′i,wy′i,wz′i]T进行补偿,得到补偿后的三轴加速度和补偿后的三轴角速度wi=w′i-εb=[wx′i-εx,wy′i-εy,wz′i-εz]T,可以得到更加准确的三轴加速度和三轴角速度,使得更加准确地对三轴加速度和三轴角速度进行零速检测,从而更加准确地对IMU进行零速修正,提高利用IMU修正数据更新导航信息的精度。
在步骤S310中,根据更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
如果步骤S305中判断IMU的速度测量值处于非零速状态,直接进入S310,利用IMU惯导解结果对相应非零速通道的导航信息进行更新;
如果步骤S305中判断IMU的速度测量值处于零速状态,经过步骤S307进行零速修正后,再进入SS310,根据零速修正后的数据对相应零速通道的导航信息进行更新;
如果步骤S306中判断GNSS的速度观测值处于非零速状态,经步骤S308进行卡尔曼滤波组合解算后,得到经GNSS良好卫星观测量修正的导航结果。
需说明的是,在步骤S310后,IMU/GNSS组合导航算法可以进入下一个循环流程。
以下进一步分别介绍图4-图6中的流程。
参见图4,图4是本申请实施例示出的组合导航处理方法中的IMU水平通道和垂向通道零速检测的流程示意图。
如图4所示,该流程包括:
步骤S401,如果GNSS的观测数据不可用,进入IMU零速检测,划分水平通道和垂向通道,分别进入步骤S402和S403。
其中,IMU的测量数据可以包括IMU的速度测量值,IMU的速度测量值可以包括IMU的水平速度和垂向速度,其中水平速度可以包括水平加速度、水平角速度,垂向速度可以包括垂向加速度、垂向角速度。
本申请实施例的零速检测算法同时分为水平通道和垂向两个通道进行判断,并将IMU体系下的加速度和角速度输出投影到地理导航系(n系,即地理坐标系)。在一种实现方式中,根据惯性导航解算获得的旋转矩阵对IMU的三轴加速度/>和三轴角速度/>进行坐标系的转换,获得地理坐标系的IMU数据。假设i时刻加速度计输出的三轴加速度(比力)为/>陀螺仪输出的三轴角速度为/>根据姿旋转矩阵/>将IMU的三轴加速度和三轴角速度/>转换获得地理坐标系(n系)的三轴加速度/>和三轴角速度/>
在一种实现方式中,将获得的地理坐标系(n系)的三轴加速度和三轴角速度/>进行进一步细分,可以获得IMU的水平加速度、水平角速度、垂向加速度、垂向角速度。其中,可以将/>区分为水平加速度,将区分为水平角速度,将/>区分为垂向加速度,将/>区分为垂向角速度。
步骤S402,通过水平通道进行水平零速检测,判断IMU水平加速度和水平角速度是否处于零速状态,如果是,进入步骤404,如果否,进入步骤405。
该步骤可以通过水平通道的水平零速检测算法判断IMU水平加速度、水平角速度是否处于零速状态。
在一种实现方式中,水平零速检测算法判断条件包括水平通道的水平加速度模值、水平加速度滑动幅值、水平角速度模值三类条件,分别记为T1、T2、T3,也可以分别称为第一预设条件、第二预设条件、第三预设条件。需说明的是,还可以使用水平加速度滑动方差替换水平加速度滑动幅值,或者使用水平角速度单轴最大输出绝对值替换水平角速度模值。水平加速度滑动方差可以记为条件T9,水平角速度单轴最大输出绝对值可以记为条件T10。
水平通道的水平零速检测算法的条件判断实现方式如下:
1)水平加速度模值检测,即当水平加速度模值小于设定阈值tha,则确认条件T1=1。
2)水平加速度滑动幅值检测,即在滑动窗口N内,水平加速度输出的变化幅值均小于设定阈值thb,则确认条件T2=1。
3)水平角速度模值检测,即当水平通道角速度模值小于设定阈值thc,则确认条件T3=1。
在一种实现方式中,当条件T1、T2、T3均为1时,可以判断水平通道状态为零速状态,也即可以判断水平通道的水平加速度、水平角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断水平通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
需说明的是,也可以不需要条件T1。即,当条件T2、T3均为1时,可以判断水平通道状态为零速状态,也即可以判断水平通道的水平加速度、水平角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断水平通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
当使用水平加速度滑动方差替换水平加速度滑动幅值,或者使用水平角速度单轴最大输出绝对值替换水平角速度模值时,判断条件如下:
4)水平加速度滑动方差检测,即在滑动窗口N内,加速度滑动方差小于设定阈值thj,则确定条件T9=1,其中水平加速度滑动方差可以根据相关技术计算得到,本申请实施例不加以限定。
5)水平角速度单轴最大输出绝对值,即当角速度单轴最大输出绝对值小于设定阈值thk,则确定条件T10=1,其中水平角速度单轴最大输出绝对值可以根据相关技术计算得到,本申请实施例不加以限定。
当条件T1、T9、T10均为1时,可以判断水平通道状态为零速状态,也即可以判断水平通道的水平加速度、水平角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断水平通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
或者,当条件T9、T10均为1时,可以判断水平通道状态为零速状态,也即可以判断水平通道的水平加速度、水平角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断水平通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
需说明的是,上述设定阈值tha、设定阈值thb、设定阈值thc、设定阈值thj、设定阈值thk,可以根据经验取值,本申请实施例不加以限定。
步骤S403,通过垂向通道进行垂向零速检测,判断IMU垂向加速度和垂向角速度是否处于零速状态,如果是,进入步骤406,如果否,进入步骤407。
该步骤通过垂向通道的垂向零速检测算法判断IMU垂向加速度、垂向角速度是否处于零速状态。
在一种实现方式中,垂向零速检测算法判断条件包括垂向通道的垂向加速度模值、垂向加速度滑动幅值、垂向角速度模值三类条件,分别记为T4、T5、T6,也可以分别称为第四预设条件、第五预设条件、第六预设条件。需说明的是,还可以使用垂向加速度滑动方差替换垂向加速度滑动幅值,或者使用垂向角速度单轴最大输出绝对值替换垂向角速度模值。垂向加速度滑动方差可以记为条件T11,垂向角速度单轴最大输出绝对值可以记为条件T12。
垂向通道的垂向零速检测算法的条件判断实现方式如下:
1)垂向加速度模值检测,即当垂向加速度模值与重力加速度g的差值绝对值小于设定阈值thd,则确定条件T4=1。
2)垂向加速度滑动幅值检测,即在滑动窗口N内,垂向加速度输出的变化幅值均小于设定阈值the,则确定条件T5=1。
3)垂向角速度模值检测,即当垂向通道角速度模值小于设定阈值thf,
则确定条件T6=1。
当条件T4、T5、T6均为1时,可以判断垂向通道状态为零速状态,也即可以判断垂向通道的垂向加速度、垂向角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断垂向通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
需说明的是,也可以不需要条件T4。即,当条件T5、T6均为1时,可以判断垂向通道状态为零速状态,也即可以判断垂向通道的垂向加速度、垂向角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断垂向通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
当使用垂向加速度滑动方差替换水平加速度滑动幅值,或者使用垂向角速度单轴最大输出绝对值替换垂向角速度模值时,判断条件如下:
4)垂向加速度滑动方差检测,即在滑动窗口N内,垂向加速度滑动方差小于设定阈值thl,则确定条件T11=1。
5)垂向角速度单轴最大输出绝对值检测,即当垂向通道角速度单轴最大输出绝对值小于设定阈值thm,则确定条件T12=1。
当条件T4、T11、T12均为1时,可以判断垂向通道状态为零速状态,也即可以判断垂向通道的垂向加速度、垂向角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断垂向通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
或者,当条件T11、T12均为1时,可以判断垂向通道状态为零速状态,也即可以判断垂向通道的垂向加速度、垂向角速度处于零速状态,输出零速状态;否则判断垂向通道状态为非零速状态,输出非零速状态。
需说明的是,上述设定阈值thd、设定阈值the、设定阈值thf、设定阈值thl、设定阈值thm,可以根据经验取值,本申请实施例不加以限定。
步骤S404,输出水平零速状态。
如果通过水平通道的水平零速检测算法判断IMU水平加速度、水平角速度处于零速状态,输出水平零速状态。
步骤S405,输出水平非零速状态。
如果通过水平通道的水平零速检测算法判断IMU水平加速度、水平角速度处于非零速状态,输出水平非零速状态。
步骤S406,输出垂向零速状态。
如果通过垂向通道的垂向零速检测算法判断IMU垂向加速度、垂向角速度处于零速状态,输出垂向零速状态。
步骤S407,输出垂向非零速状态。
如果通过垂向通道的垂向零速检测算法判断IMU垂向加速度、垂向角速度处于非零速状态,输出垂向非零速状态。
从上述流程可以发现,如果GNSS的观测数据不可用,则判断IMU的速度测量值是否处于非零速状态,处于非零速状态的通道可以直接进行导航数据的更新。即若判定水平通道为非零速状态,则可以直接用惯导解算的航向、水平速度和水平位置来更新对应的导航信息;若判定垂向通道为非零速状态,则可以直接用惯导解算的姿态、垂向速度和高度来更新对应的导航信息;若判定水平通道和垂向通道均为非零速状态,则可以直接用惯导解算的全部信息来更新导航信息,该全部信息包括惯导解算的航向、水平速度、水平位置,惯导解算的姿态、垂向速度和高度等。
参见图5,图5是本申请实施例示出的组合导航处理方法中的GNSS的水平通道和垂向通道零速检测的流程示意图。
如图5所示,该流程包括:
步骤S501,如果GNSS的观测数据可用,进入GNSS零速检测,划分水平通道和垂向通道,分别进入步骤S502和S503。
如果GNSS的观测数据可用,进入零速检测,通过划分水平通道和垂向通道分别判断GNSS的水平速度和垂向速度是否处于零速状态。
步骤S502,通过水平通道进行水平零速检测,判断GNSS水平速度是否处于零速状态,如果是,进入步骤S504,如果否,进入步骤S505。
该步骤可以通过水平通道的水平零速检测算法判断水平速度是否处于零速状态。
通过水平通道的水平零速检测算法判断GNSS的水平速度Vhor是否处于零速状态。水平零速检测算法判断条件可以记为T7,也可以称为第七预设条件。
水平零速检测算法判断实现方式为:
当条件T7=1时,判断水平通道的GNSS的水平速度Vhor处于零速状态,输出水平零速状态;否则判断水平通道的GNSS的水平速度Vhor处于非零速状态,输出水平非零速状态。thg为设定阈值。
步骤S503,通过垂向通道进行垂向零速检测,判断GNSS垂向速度是否处于零速状态,如果是,进入步骤S506,如果否,进入步骤S507。
该步骤通过垂向通道的垂向零速检测算法判断垂向速度是否处于零速状态。
通过垂向通道的垂向零速检测算法判断GNSS的垂向速度Vvert是否处于零速。垂向零速检测算法判断条件可以记为T8,也可以称为第八预设条件。
垂向零速检测算法判断实现方式为:
当条件T8=1时,判断垂向通道的GNSS的垂向速度Vvert处于零速状态,输出垂向零速状态;否则判断垂向通道的GNSS的垂向速度Vvert处于非零速状态,输出垂向非零速状态。thh为设定阈值。
步骤S504,输出水平零速状态。
如果通过水平通道的水平零速检测算法判断水平速度处于零速状态,则输出水平零速状态;
步骤S505,输出水平非零速状态。
如果通过水平通道的水平零速检测算法判断水平速度处于非零速状态,则输出水平非零速状态。
步骤S506,输出垂向零速状态。
如果通过垂向通道的垂向零速检测算法判断垂向速度处于零速状态,则输出垂向零速状态。
步骤S507,输出垂向非零速状态。
如果通过垂向通道的垂向零速检测算法判断垂向速度处于非零速状态,则输出垂向非零速状态。
需说明的是,上述设定阈值thg、设定阈值thh,可以根据经验取值,本申请实施例不加以限定。
参见图6,图6是本申请实施例示出的IMU/GNSS组合导航处理方法的水平通道和垂向通道零速修正的流程示意图。
如图6所示,该流程包括:
步骤601,零速检测后,进入零速修正。
步骤602,判断是属于水平零速状态还是属于垂向零速状态,如果是属于水平零速状态,进入步骤603,如果是属于垂向零速状态,进入步骤604。
步骤603,进行水平零速修正。
根据水平通道输出的水平零速状态,通过水平通道对IMU进行水平零速修正,包括对IMU的水平加速度和水平角速度进行零速修正,即保持当前时刻的航向和水平位置与上一时刻的输出一致,水平速度置零,获得修正后的IMU的水平加速度和水平角速度。
步骤604,进行垂向零速修正。
根据垂向通道输出的垂向零速状态,通过垂向通道对IMU进行垂向零速修正,包括对IMU的垂向加速度和垂向角速度进行零速修正,即保持当前时刻的姿态和高度与上一时刻的输出一致,垂向速度置零,获得修正后的IMU的垂向加速度和垂向角速度。
从上述实施例可以看出,本申请实施例提供的技术方案不再像相关技术那样仅以IMU数据作为检测量,而是引入GNSS速度观测值用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正IMU误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
进一步的,本申请提供的技术方案中,如果所述GNSS的速度观测值处于非零速状态,可以根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。通过将零偏反馈至IMU的输出,可以及时补偿IMU(加速度计和陀螺仪)的零偏,可以提高通过IMU数据进行零速检测时相应预设阈值的有效性。
进一步的,相关技术的基于IMU的零速检测判断条件为对加速度计和陀螺仪的整体三维输出作出约束,并未区分其在水平与垂向不同通道的表现,即只有当水平与垂向通道均处于零速状态时,才有可能进行零速修正。相关技术无法分辨水平与垂向两个通道各自的零速状态,使得传统方法无法适用更多场景并发挥更大效用。本申请提供的技术方案中,零速检测过程可以按水平与垂向分为两类通道同时进行,分别根据不同条件进行零速判定,例如,通过水平通道对IMU的水平加速度和水平角速度进行零速修正,通过垂向通道对IMU的垂向加速度和垂向角速度进行零速修正,将零速修正分为水平和垂向两个通道来实现分通道的零速修正,也即使当导航设备运动状态中只存在某一通道的零速状态时,也能进行部分导航信息的修正,实现水平通道的航向、速度、位置优化,或垂向通道的姿态、速度、高度优化,从而增加了零速修正适用的场景,能够对IMU的测量数据进行有效地零速修正,抑制IMU/GNSS组合导航系统的误差,提高IMU/GNSS组合导航的精度。
与前述应用功能实现方法实施例相对应,本申请还提供了一种组合导航处理装置、电子设备及相应的实施例。
图7是本申请实施例示出的组合导航处理装置的结构示意图。
参见图7,一种组合导航处理装置,包括:获取模块70、修正模块71、更新模块74。
获取模块70,用于获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据。获取模块70可以获取IMU的测量数据和GNSS的观测数据。IMU/GNSS组合导航系统可以包括惯性导航系统、GNSS。惯性导航系统可以包括IMU,IMU包括三轴加速度计和三轴陀螺仪,三轴包括X轴、Y轴和Z轴。可以理解的是,IMU的测量数据和GNSS的观测数据在时间上是对齐的。
修正模块71,用于在获取模块70获取的卫星导航观测数据可用时,根据卫星导航观测数据对惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据。
更新模块74,用于根据修正模块71获得的更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。
其中,修正模块71可以包括:第一零速检测模块72、零速修正模块73。
第一零速检测模块72,用于在获取模块70获取的GNSS的观测数据可用时,从GNSS的观测数据中获取GNSS的速度观测值,判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态。
零速修正模块73,用于如果第一零速检测模块72判断的GNSS的速度观测值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
更新模块74可以根据零速修正模块73获得的更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。
在一种实施方式中,修正模块71还可以包括:零偏补偿模块75。
零偏补偿模块75,用于如果第一零速检测模块72判断的GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据IMU的误差量和GNSS的误差量进行设定运算,获得IMU的零偏;根据获得的IMU的零偏,对IMU的测量数据进行零偏补偿。
在一种实施方式中,修正模块71还可以包括:第二零速检测模块77。
第二零速检测模块77,用于在获取模块70获取的GNSS的观测数据不可用时,从IMU的测量数据中获取IMU的速度测量值,判断IMU的速度测量值是否处于零速状态;
零速修正模块73还用于如果第二零速检测模块77判断的IMU的速度测量值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
其中,第二零速检测模块77判断IMU的速度测量值是否处于零速状态,可以包括:判断IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态。
第二零速检测模块77判断IMU的水平速度是否处于零速状态,包括:在IMU的水平通道的水平加速度模值满足第一预设条件,水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断IMU的水平速度处于零速状态;或者,在IMU的水平通道的水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断IMU的水平速度处于零速状态。
第二零速检测模块77判断IMU的垂向速度是否处于零速状态,包括:在IMU的垂向通道的垂向加速度模值满足第四预设条件、垂向加速度滑动幅值或垂向加速度滑动方差满足第五预设条件、垂向角速度模值或垂向角速度单轴最大输出绝对值满足第六预设条件时,判断IMU的垂向速度处于零速状态。
其中,第一零速检测模块72判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态,包括:判断GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态。
第一零速检测模块72判断GNSS的水平速度是否处于零速状态,包括:在GNSS的水平通道的水平速度满足第七预设条件时,判断GNSS的水平速度处于零速状态。第一零速检测模块72判断GNSS的垂向速度是否处于零速状态,包括:在GNSS的水平通道的垂向速度满足第八预设条件时,判断GNSS的垂向速度处于零速状态。
其中,零速修正模块73可以包括:水平修正子模块731、垂向修正子模块732。
水平修正子模块731,用于如果GNSS的水平速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;如果IMU的水平速度处于零速状态,将IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
垂向修正子模块732,用于如果GNSS的垂向速度处于零速状态,对IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;如果IMU的垂向速度处于零速状态,将IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
本申请提供的技术方案,在卫星导航观测数据可用时,根据卫星导航观测数据对惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;根据更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息。这样,不再像相关技术那样仅以惯性导航测量数据作为检测量,而是引入卫星导航观测数据用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正惯性导航测量数据误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
进一步的,本申请提供的技术方案中,在GNSS的观测数据可用时,可以从GNSS的观测数据中获取GNSS的速度观测值,判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态;如果GNSS的速度观测值处于零速状态,对IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;再根据更新参考数据,更新IMU/GNSS组合导航系统的导航信息。这样,不再像相关技术那样仅以IMU数据作为检测量,而是引入GNSS速度观测值用于零速检测,从而提高零速检测的准确率,降低零速状态的误判率,及时修正IMU误差和组合导航的航位输出,有效提高导航的精度。
关于上述实施例中的装置,其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述,此处将不再做详细阐述说明。
图8是本申请实施例示出的电子设备的结构示意图。
参见图8,电子设备80包括存储器801和处理器802。
处理器802可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器801可以包括各种类型的存储单元,例如系统内存、只读存储器(ROM),和永久存储装置。其中,ROM可以存储处理器802或者计算机的其他模块需要的静态数据或者指令。永久存储装置可以是可读写的存储装置。永久存储装置可以是即使计算机断电后也不会失去存储的指令和数据的非易失性存储设备。在一些实施方式中,永久性存储装置采用大容量存储装置(例如磁或光盘、闪存)作为永久存储装置。另外一些实施方式中,永久性存储装置可以是可移除的存储设备(例如软盘、光驱)。系统内存可以是可读写存储设备或者易失性可读写存储设备,例如动态随机访问内存。系统内存可以存储一些或者所有处理器在运行时需要的指令和数据。此外,存储器801可以包括任意计算机可读存储媒介的组合,包括各种类型的半导体存储芯片(DRAM,SRAM,SDRAM,闪存,可编程只读存储器),磁盘和/或光盘也可以采用。在一些实施方式中,存储器801可以包括可读和/或写的可移除的存储设备,例如激光唱片(CD)、只读数字多功能光盘(例如DVD-ROM,双层DVD-ROM)、只读蓝光光盘、超密度光盘、闪存卡(例如SD卡、min SD卡、Micro-SD卡等等)、磁性软盘等等。计算机可读存储媒介不包含载波和通过无线或有线传输的瞬间电子信号。
存储器801上存储有可执行代码,当可执行代码被处理器802处理时,可以使处理器802执行上文述及的方法中的部分或全部。
此外,根据本申请的方法还可以实现为一种计算机程序或计算机程序产品,该计算机程序或计算机程序产品包括用于执行本申请的上述方法中部分或全部步骤的计算机程序代码指令。
或者,本申请还可以实施为一种非暂时性机器可读存储介质(或计算机可读存储介质、或机器可读存储介质),其上存储有可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码),当可执行代码(或计算机程序、或计算机指令代码)被电子设备(或电子设备、服务器等)的处理器执行时,使处理器执行根据本申请的上述方法的各个步骤的部分或全部。
以上已经描述了本申请的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (12)
1.一种组合导航处理方法,其特征在于,包括:
获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据,其中包括:获取惯性测量单元IMU的测量数据和全球导航卫星系统GNSS的观测数据;
在所述卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据,其中包括在所述GNSS的观测数据可用时,从所述GNSS的观测数据中获取所述GNSS的速度观测值,判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态;如果所述GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;
根据所述更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息;
其中所述判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态,包括:判断所述GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:如果所述GNSS的水平速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,如果所述GNSS的垂向速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
如果所述GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;
根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
在所述GNSS的观测数据不可用时,从所述IMU的测量数据中获取所述IMU的速度测量值,判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态;
如果所述IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
如果所述IMU的速度测量值处于非零速状态,将所述IMU的测量数据作为更新参考数据。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于:
所述判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态,包括:判断所述IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:
如果所述IMU的水平速度处于零速状态,将所述IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
如果所述IMU的垂向速度处于零速状态,将所述IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于:
所述判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态,包括:判断所述IMU的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述如果所述IMU的速度测量值处于非零速状态,将所述IMU的测量数据作为更新参考数据,包括:
如果所述IMU的水平速度处于非零速状态,将所述IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,
如果所述IMU的垂向速度处于非零速状态,将所述IMU的垂向速度作为更新参考数据。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于:
所述判断所述IMU的水平速度是否处于零速状态,包括:
在IMU的水平通道的水平加速度模值满足第一预设条件,水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断所述IMU的水平速度处于零速状态;
或者,
在IMU的水平通道的水平加速度滑动幅值或水平加速度滑动方差满足第二预设条件,水平角速度模值或水平角速度单轴最大输出绝对值满足第三预设条件时,判断所述IMU的水平速度处于零速状态;
所述判断所述IMU的垂向速度是否处于零速状态,包括:
在IMU的垂向通道的垂向加速度模值满足第四预设条件、垂向加速度滑动幅值或垂向加速度滑动方差满足第五预设条件、垂向角速度模值或垂向角速度单轴最大输出绝对值满足第六预设条件时,判断所述IMU的垂向速度处于零速状态。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述判断所述GNSS的水平速度是否处于零速状态,包括:
在GNSS的水平通道的水平速度满足第七预设条件时,判断所述GNSS的水平速度处于零速状态;
所述判断所述GNSS的垂向速度是否处于零速状态,包括:
在GNSS的水平通道的垂向速度满足第八预设条件时,判断所述GNSS的垂向速度处于零速状态。
9.一种组合导航处理装置,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取惯性导航测量数据和卫星导航观测数据,其中包括获取IMU的测量数据和GNSS的观测数据;
修正模块,用于在所述获取模块获取的卫星导航观测数据可用时,根据所述卫星导航观测数据对所述惯性导航测量数据进行零速修正,获得修正后的惯性导航测量数据作为更新参考数据;
更新模块,用于根据所述修正模块获得的更新参考数据,更新组合导航系统的导航信息;
其中所述修正模块包括:
第一零速检测模块,用于在所述获取模块获取的GNSS的观测数据可用时,从所述GNSS的观测数据中获取所述GNSS的速度观测值,判断所述GNSS的速度观测值是否处于零速状态;
零速修正模块,用于如果所述第一零速检测模块判断的GNSS的速度观测值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;
其中,第一零速检测模块判断GNSS的速度观测值是否处于零速状态,包括:判断GNSS的水平速度或垂向速度是否处于零速状态;
所述零速修正模块包括:水平修正子模块,用于如果所述GNSS的水平速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据;和/或,垂向修正子模块,用于如果所述GNSS的垂向速度处于零速状态,对所述IMU的测量数据中的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述修正模块还包括:
零偏补偿模块,用于如果所述第一零速检测模块判断的GNSS的速度观测值处于非零速状态,根据所述IMU的误差量和所述GNSS的误差量进行设定运算,获得所述IMU的零偏;根据所述获得的IMU的零偏,对所述IMU的测量数据进行零偏补偿。
11.根据权利要求9所述的装置,其特征在于,所述修正模块还包括:
第二零速检测模块,用于在所述获取模块获取的GNSS的观测数据不可用时,从所述IMU的测量数据中获取所述IMU的速度测量值,判断所述IMU的速度测量值是否处于零速状态;
所述零速修正模块还用于如果所述第二零速检测模块判断的IMU的速度测量值处于零速状态,对所述IMU的测量数据进行零速修正,获得修正后的IMU的测量数据作为更新参考数据。
12.根据权利要求9至11任一项所述的装置,其特征在于,所述零速修正模块还包括:
水平修正子模块,如果所述IMU的水平速度处于零速状态,将所述IMU的水平速度进行水平零速修正,获得修正后的IMU的水平速度作为更新参考数据;和/或,垂向修正子模块,如果所述IMU的垂向速度处于零速状态,将所述IMU的垂向速度进行垂向零速修正,获得修正后的IMU的垂向速度作为更新参考数据。
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