CN115574838A - 一种组合导航系统的自动对准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组合导航系统的自动对准方法，属于卫星和惯性组合导航技术领域。本发明首先以IMU输出测量数据的时间作为历元，在每个历元判断是否存在GNSS数据，若存在，则利用该历元的GNSS数据确定载体速度；然后根据载体速度判断载体在对准阶段的运动状态，根据运动状态选择相应对准方法，若载体是静止的，则采用静基座对准方法，若载体是运动的，则采用的动基座对准。因此，本发明能够根据载体的运动状态自适应的选择相应的对准方法，提高对准精度，有效弥补了载体静态时段的姿态信息。

Description

一种组合导航系统的自动对准方法
技术领域
本发明涉及一种组合导航系统的自动对准方法，属于卫星与惯性组合导航技术领域。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)是导航定位领域发展较为成熟、应用十分广泛的两大技术手段。精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术集成了GNSS标准单点定位和相对定位的技术优点，克服了各自的缺点，已发展成为一种新的GNSS定位方法。PPP/INS组合导航技术可以实现高精度的定位，全球、全天候地为用户提供连续、完整、稳定、可靠的导航参数信息，以其全面的优势成为构建多源融合PNT服务体系的重要成员。初始对准是PPP/INS组合导航中的关键技术之一，其目的是获取载体的初始导航信息(位置、速度和姿态)，初始对准成功后才能进入导航阶段，初始对准的精度和速度直接影响组合导航的工作性能。
在组合导航的初始对准阶段，GNSS提供位置和速度信息，之后通过惯导初始对准确定初始姿态。确定载体姿态对惯性传感器的精度要求较高，陀螺零偏精度低于0.5°/h的消费级别的IMU无法完成自对准。惯导初始对准根据载体运动状态可以分为静基座对准和动基座对准，静基座对准可以分粗对准和精对准两个阶段，粗对准方法一般分为基于双矢量定姿原理的解析粗对准、基于双矢量或者多矢量定姿原理的间接粗对准，精对准一般采取Kalman滤波方法。粗对准和精对准理论上具有相同的极限精度，实际应用中，粗对准精度也不一定比精对准差。在组合导航中，如果粗对准精度达到要求，完全可以跳过精对准。由于解析粗对准结果精度不稳定、Kalman滤波精对准对准精度很高但是对准时间过长(大约需要100s)，而间接粗对准稳定性好，对基座具有一定的角运动和线运动抗干扰能力，对准精度也达到组合导航的要求，并且多矢量定姿比双矢量定姿精度稍好，对准收敛速度更快，故选择基于多矢量定姿原理的间接粗对准作为组合导航的静基座对准方法。组合导航的动基座对准技术是利用GNSS测速信息进行辅助对准，对准算法主要有两种，一种是基于惯性系对准原理，另外一种利用测速信息求解航向角，再结合比力输出求解水平角的快速对准。第二种方法对准速度很快故作为组合导航的动基座对准方法。
初始对准成功是进入组合导航阶段的前提，目前GNSS/INS组合导航的初始对准有以下几点问题存在：选择的静对准方法不当，导致对准结果精度不足或者精度很高但耗时过长；静对准需要人为记录载体静止时段，这会带来不便甚至出现因记录错误而导致初始对准失败；只支持速度辅助的动对准，这会导致车载初始静止时段姿态参数的缺失，进而会影响后续的定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种组合导航系统的自动对准方法，以解决目前组合导航系统自动对准过程中存在的对准方法选择不当导致的对准精度低的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种组合导航系统的自动对准方法，该对准方法包括以下步骤：
1)以IMU输出测量数据的时间作为历元，在每个历元对IMU数据和GNSS数据进行时间同步，并判断当前历元是否有更新的GNSS数据；
2)若当前历元有更新的GNSS数据，则基于GNSS数据解算该历元在导航坐标系下的载体速度；
3)将载体速度与速度阈值进行比较，判断载体是静止状态还是运动状态，若载体是运动状态则采用动基座对准，否则采用静基座对准；
4)对准成功后，对INS数据进行机械编排，并与GNSS数据进行组合滤波解算，实现组合导航定位。
本发明首先在每个历元判断该历元下是否存在GNSS数据，若存在，则利用该历元的GNSS数据确定载体速度；然后根据载体速度判断载体在对准阶段的运动状态，根据运动状态选择相应对准方法，若载体是静止的，则采用静基座对准方法，若载体是运动的，则采用的动基座对准。因此，本发明能够根据载体的运动状态自适应的选择相应的对准方法，提高对准精度，有效弥补了载体静态时段的姿态信息。
进一步地，所述的速度阈值包括有第一速度阈值和第二速度阈值，当载体速度小于第一速度阈值时，则判断载体处于静止状态，当载体速度大于第二速度阈值时，则判断载体处于运动状态，其中第一速度阈值小于第二速度阈值。
通过设置两个速度阈值，本发明能够更加准确判断出载体的运动状态，为后续对准算法的选择提供可靠的支撑。
进一步地，所述的速度阈值与GNSS解算速度的精度相关。
本发明根据GNSS解算速度的精度、解算模式来设定速度阈值。
进一步地，所述步骤3)中若采用静基座对准，需要载体处于静止的时长大于设定时间阈值；所述设定时间阈值为对准方法的收敛时间。
本发明在采用静基座对准前需要保证载体处于静止状态的时长，只在静止持续时间达到要求时才进行静坐基座对准，以保证对准的精度。
进一步地，所述的静基座对准采用解析法、间接粗对准方法或Kalman精对准方法。
进一步地，所述的动基座对准采用基于惯性系的姿态确定方法或者基于导航系速度的动态对准方法。
附图说明
图1是本发明组合导航系统的自动对准方法的流程图；
图2a是车载实验中所采用的跑车轨迹示意图；
图2b是车载实验中的可见卫星数及PDOP值示意图；
图2c是车载实验中的星空图；
图3a是车载实验中仅采用速度辅助的动基座对准方法得到的姿态偏差示意图；
图3b是车载实验中采用本发明的对准方法得到的姿态偏差示意图；
图3c是车载实验中仅采用速度辅助的动基座对准方法得到的速度偏差示意图；
图3d是车载实验中采用本发明的对准方法得到的速度偏差示意图；
图3e是车载实验中仅采用速度辅助的动基座对准方法得到的位置偏差示意图；
图3f是车载实验中采用本发明的对准方法得到的位置偏差示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明首先以IMU输出测量数据的时间作为历元，在每个历元判断是否存在GNSS数据，若存在，则利用该历元的GNSS数据确定载体速度；然后根据载体速度判断载体在对准阶段的运动状态，根据运动状态选择相应对准方法，若载体是静止的，则采用静基座对准方法，若载体是运动的，则采用的动基座对准。该方法的实现流程如图1所示，下面针对该流程进行详细说明。
1.获取惯性导航数据和GNSS数据并进行对准。
组合导航系统一般包括有INS(惯性导航系统)和GNSS(卫星导航系统)，其中INS采用惯性测量单元IMU，用于检测载体姿态和三轴加速度数据，本发明采用加速度计陀螺作为IMU，将其输出的比力角速度作为惯性导航数据；获取的GNSS数据是通过卫星接收机接收到的伪距、载波和多普勒测量值。其中INS数据的采集频率和GNSS数据的输出频率往往不同，为此，本发明需要对获取的惯性测量数据和GNSS数据进行时间同步判断，本实施例中IMU以固定采样间隔采集并输出原始测量数据，将输出数据的那个时间点称为历元，在每个历元到来时，判断是否有更新的GNSS数据，若有，则完成与INS数据的同步，否则，时间同步失败，并在下一个历元到来时再进行时间同步判断，直至出现有时间同步的GNSS数据。
为方便后续判断和处理，现对惯性导航中常用到的坐标系进行介绍。
惯性导航中主要涉及如下几种常用坐标系：地心惯性坐标系(Earth-CenteredInertial Frame,ECI)，惯性系相对于宇宙的是没有加速度和转动的，这里的ECI不是严格的惯性系，不过对惯性导航的影响很小可忽略，地心惯性坐标系用符号i表示；地心地固坐标系(Earth-Centered Earth Fixed Frame,ECEF)，其轴系与地球固联并与地球一起转动，除此之外，ECEF定义与ECI相似，用符号e表示；当地导航坐标系(Local Navigation Frame,LNF)也称当地地理坐标系或者当地水平坐标系，根据轴向选择可以分为北东地坐标系(North East Down Frame,NED)和东北天坐标系(East North Up Frame,ENU)这两大类，本发明采用东北天坐标系，用符号n表示；载体坐标系(Body Frame,BF)也称机体坐标系，其原点与当地导航坐标系重合，轴系与载体固联，用符号b表示。
对于初始对准，还定义了两种坐标系：导航惯性坐标系(Navigation InitialFrame，NIF)，将对准初始时刻的导航坐标系凝固，不随地球自转与载体运动而转动，相对惯性空间保持不动，用符号n0表示；载体惯性坐标系(Body Initial Frame，BIF)将对准初始时刻的载体坐标系凝固，不随地球自转和载体运动而转动，相对惯性空间保持不动，用b0符号表示。
2.确定载体速度。
当INS数据与GNSS数据的时间同步成功后，对GNSS数据进行解算，得到该历元在导航坐标系下的速度。本发明采用的采用的是精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)的GNSS解算方法确定对应的速度。
3.根据载体速度确定载体运动状态，根据运动状态选择相应的对准方法。
将得到的载体速度Vn与速度阈值进行比较，这里速度阈值包括有两个，第一速度阈值V0和第二速度阈值V1，若Vn小于V0，则说明当前历元下载体处于静止状态，若Vn大于V1，则说明当前历元下载体处于运动状态。如果Vn在V0-V1之前时，则无法准确判断载体的运动状态，可能是从静止到加速，可能是减速到静止，也可能是一边加速一边减速的状态，这些状态都不利于对准，所以如果Vn在V0-V1之间时，则不进行对准，而是进行下一个历元判断。其中V0和V1的取值依据是GNSS解算速度的精度，与卫星信号和解算模式相关，例如本实施例中V0可以设置成0.01m/s，V1可以设置成3m/s。
当判断出当前历元下的载体处于静止状态时，本发明采用静基座对准方法进行初步对准，其中静基座对准方法包括有解析法、间接粗对准方法和Kalman滤波精对准方法。由于间接对准算法对ωi b b的大小不作要求，故对载体的角运动具有较强的抗干扰能力。相对于纯静基座，晃动基座更符合实际条件，并且间接粗对准对准效果也很好，故应用更为广泛。下面以间接粗对准方法为例对静基座对准过程进行说明。
间接粗对准的原理是，相对地表固定载体的重力矢量及其变化包含了水平和方位信息，其利用两个及以上时刻的重力及比力测量值并建立对应的矩阵方程，即可使用双矢量或者多矢量的定姿算法求解初始时刻姿态。这里需要用到自定义的两个惯性坐标系：初始时刻导航坐标系n0和载体坐标系b0，随后相对惯性空间无转动，对准目的是求解姿态阵
Figure BDA0003875990460000061
求解步骤如下：
(1)首先列出比力方程和惯导角速度转换关系，即
Figure BDA0003875990460000071
式中，上标n和b分别表示该矢量在导航系和载体系下的投影；vn表示载体相对于e系的速度，也称为地速；
Figure BDA0003875990460000072
表示b系到n系的坐标变换矩阵，也就是姿态阵；
Figure BDA0003875990460000073
表示加速度计测得的比力；
Figure BDA0003875990460000074
表示陀螺测得的角速度；
Figure BDA0003875990460000075
表示地球自转角速度；
Figure BDA0003875990460000076
表示n系相对于e系的角速度；
Figure BDA0003875990460000077
和
Figure BDA0003875990460000078
以此类推；gn表示重力矢量。
(2)求解
Figure BDA0003875990460000079
和
Figure BDA00038759904600000710
即
Figure BDA00038759904600000711
Figure BDA00038759904600000712
Figure BDA00038759904600000713
式中，
Figure BDA00038759904600000714
表示n系到n0系的坐标变换矩阵，
Figure BDA00038759904600000715
表示地球自转角速度，L代表纬度，gn表示重力矢量。g＝[00-g]T，
Figure BDA00038759904600000716
(3)然后建立
Figure BDA00038759904600000717
与
Figure BDA00038759904600000718
之间的关系，即
Figure BDA00038759904600000719
其中
Figure BDA00038759904600000720
可由下式实时计算，即
Figure BDA00038759904600000721
对上式在不同时刻积分可得，即
Figure BDA0003875990460000081
最后使用双矢量或者多矢量定姿算法求解
Figure BDA0003875990460000082
故间接粗对准可以分为基于双矢量原理和基于多矢量原理两种方法。通过上述过程可实现初步对准。
当判断出当前历元下的载体处于运动状态时，本发明采用动基座对准方法进行初步对准，动基座对准需要外界辅助信息完成，GNSS可提供导航系下的载体速度的辅助观测量。常用速度辅助动态对准的方法有：基于惯性系的姿态确定方法和利用测速信息求解航向角，再结合比力输出求解水平角的快速对准。本实施例以基于导航系速度的动态对准为例进行说明。该方法首先利用GNSS提供的导航系速度求解航迹角，对航迹角修正后可得航向角，最后根据比力方程求解俯仰角和横滚角。具体求解步骤如下：
(1)根据GNSS提供的导航系速度和位置直接求解航迹角α′，求解式为：
Figure BDA0003875990460000083
式中，
Figure BDA0003875990460000084
和
Figure BDA0003875990460000085
分别表示GNSS输出载体的导航系速度
Figure BDA0003875990460000086
在东向和北向的分量，再结合偏流角即可对航迹角修正得到准确的航向角α。
(2)根据GNSS提供的位置和速度可以求导航系下的比力fn，求解式为：
Figure BDA0003875990460000087
式中，RM和RN分别表示子午圈和卯酉圈的曲率半径；L表示当地纬度；ωe表示地球自转角速率。
(3)根据
Figure BDA0003875990460000091
可求得俯仰角γ和横滚角β，求解式为：
Figure BDA0003875990460000092
利用导航系速度直接求航迹角的动态对准方法简单高效，可以实现快速对准，但对准精度受测速精度影响较大。应用于GNSS/INS组合导航中，要求载体在卫星观测条件良好且达到一定速度。
4.基于对准后的数据进行滤波解算。
按照步骤3的方式进行对准后，对准成功后进行惯导的机械编排得到INS输出，最后与GNSS输出或者GNSS原始观测值进行松组合或者紧组合滤波解算得到组合导航参数结果。
实验验证
为了进一步证明本发明所提出的组合导航系统的自动对准方法的有效性，下面进行车载实验，在跑车搭载四个惯导，分别是加拿大NovAtel公司生产SPAN-ISA-100C、OEM-IMU-ADIS-16488和中国迈普时空公司生产的POS320、M39-16460(之后这四个IMU分别简称为100C、ADIS、POS320和M39)。其主要性能指标如表1所示。
表1
Figure BDA0003875990460000093
Figure BDA0003875990460000101
由表1可知100C、POS320、ADIS和M39仪器精度由高到低，分别对应导航级、战术级、消费级和消费级的IMU。GNSS数据由华测导航生产的P5多频多系统接收机采集，其采用频率为1HZ，RTK三维定位精度为1-2cm。为对姿态结果进行外符合精度分析，跑车安装了天文相机并在夜间实验，天文测量得到载体的姿态精度优于8"。跑车地点为郑州市八一中学附近，时间为2020年12月30日，跑车总时长约为15000s，其中包括大约半个小时的静态时段和15分钟的上下坡时段。跑车数据导出在LocaSpace(图新地球)上显示其路线如图2a所示。通过分析跑车路线周围的环境可知，跑车的前半段是较为复杂的城市环境，经过城市高楼区域，后半段是空旷的区域，卫星信号接收良好。结合流动站的可见卫星数和PDOP值(如图2b)和星空图(如图2c)进一步反映了跑车实验环境。
采取上述车载实验中的一段数据对所提对准方案进行验证，数据时段是GPS周内秒的310000s～311000s，其中前120s载体处于静止状态。以100C为例，对该时段进行PPP/INS松组合解算，程序设计为完成初始对准阶段才能有导航参数输出，由此判断初始对准的开始时刻。方案1采用GNSS仅采用速度辅助的动基座对准方法，方案2采用状态判定自对准方法。以IE8.70解算的PPK/INS紧组合结果作为参考值，输出两种方案的姿态、速度和位置这三项导航参数的误差序列，其结果如图3a、图3b、图3c、图3d、图3e和图3f所示。分析结果发现：方案1在310125s之后才有导航参数输出，说明速度辅助的动基座方法只有载体到达一定速度才能实现对准，而方案2(本发明)在解算初始历元就有导航参数输出，说明载体在静止和运动状态均可实现对准。所以，相较于速度辅助动对准，采用状态判定自对准的方法可以有效地利用静止状态下的IMU观测值，提前完成初始对准阶段并补充缺失的姿态参数，在导航阶段可以实现更快收敛，其中航向角的提升最为明显。
可见，通过上述实验，验证了本发明通过自动选择静对准或者动对准，能够提前完成初始对准并补充静止时段缺失的姿态参数，实现导航阶段的加速收敛。

Claims (6)

1.一种组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，该对准方法包括以下步骤：
1)以IMU输出测量数据的时间作为历元，在每个历元对IMU数据和GNSS数据进行时间同步，判断当前历元是否有更新的GNSS数据；
2)若当前历元有更新的GNSS数据，则基于GNSS数据解算该历元在导航坐标系下的载体速度；
3)将载体速度与速度阈值进行比较，判断载体是静止状态还是运动状态，若载体是运动状态则采用动基座对准，否则采用静基座对准；
4)对准成功后，对INS数据进行机械编排，并与GNSS数据进行组合滤波解算，实现组合导航定位。
2.根据权利要求1所述的组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，所述的速度阈值包括有第一速度阈值和第二速度阈值，当载体速度小于第一速度阈值时，则判断载体处于静止状态，当载体速度大于第二速度阈值时，则判断载体处于运动状态，其中第一速度阈值小于第二速度阈值。
3.根据权利要求1或2所述的组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，所述的速度阈值与GNSS解算速度的精度相关。
4.根据权利要求1所述的组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，所述步骤3)中若采用静基座对准，需要载体处于静止的时长大于设定时间阈值；所述设定时间阈值为对准方法的收敛时间。
5.根据权利要求1或4所述的组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，所述的静基座对准采用解析法、间接粗对准方法或Kalman精对准方法。
6.根据权利要求1所述的组合导航系统的自动对准方法，其特征在于，所述的动基座对准采用基于惯性系的姿态确定方法或者基于导航系速度的动态对准方法。
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