CN117268372B - 融合磁导航信息的ins/gnss组合导航方法和系统 - Google Patents

融合磁导航信息的ins/gnss组合导航方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于多源导航数据融合定位技术领域，具体涉及一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法和系统，包括：采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息；基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。本发明基于卡尔曼滤波，解决了INS/GNSS组合导航系统与磁传感器相融合的难题，基于Kalman滤波的算法基础上，结合磁传感器提供的真北角信息约束姿态信息中的航向角发散，从而解决了磁传感器在使用过程中需要进行校准补偿才能使用的问题。

Description

融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法和系统
技术领域
本发明属于多源导航数据融合定位技术领域，具体涉及一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法和系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着多源导航数据融合定位技术的提出和MEMS（Micro-Electro MechanicalSystem，微机电系统）传感器技术的成熟，越来越多的传感器被应用到导航定位领域，通过将来自不同导航源的同构或者异构的导航信息进行融合，得到综合性能更好的导航效果，有效的解决了单一传感器误差累积、稳定性差等问题。
基于卫星导航（GNSS）与惯性导航（INS）的组合是目前导航定位领域的主要应用方式之一，惯性导航具有的独立、连续、隐蔽特性,具备强自主性、短时高精度、动态性，能够为导航系统提供无环境限制的载体运动信息，有效提升整个导航系统的精度和可靠性。若仅靠六轴惯性传感器（Inertial Measurement Unit，简称IMU）数据融合得到的载体姿态信息会由于陀螺仪的积分误差无法补偿而随时间漂移和发散，而姿态角的精度又会在一定程度上影响惯导结算的速度信息和位置信息。
磁传感器可独立自主的感应测量周围的磁场强度，可广泛应用在地磁测量、姿态导航、多源融合等领域，尤其是在地磁导航系统应用中；三轴磁传感器通过测量载体周围的磁场信息将其与真实的地磁场信息做对比，从而获取载体准确的姿态，因此三轴磁传感器在地磁导航中发挥了关键作用。但是由于磁传感器通常会受加工工艺和安装工艺的影响，以及在实际使用中极易受到环境磁场的干扰，在不做任何校准的情况下测量到的数据存在极大偏差，进而导致结算的姿态角精度降低，因此需要进行校准才能够使用，以保证基于其输出的地磁信息确定出的航向信息是准确的。在线磁传感器校准算法主要以滤波算法思想为主，通过对磁传感器误差模型进行建模建立状态方程，磁传感器测量到的磁场信息建立量测方差，以滤波的方式逐步迭代来解算获取误差信息，将误差信息在线补偿到原始数据中，进行姿态结算。常见的算法有卡尔曼（Kalman）滤波算法、粒子群和递推最小二乘法。
据发明人了解，磁传感器与INS/GNSS组合导航系统的融合面临着一定的挑战：首先，磁传感器与IMU器件进行结合使用时，必须要对磁传感器进行内部标定和外部标定，内部标定解决了磁传感器在制造工艺上面造成的一些自身误差因素，如标度因数、敏感轴交叉耦合和偏置等误差；外部标定解决了磁传感器与IMU之间的坐标系失准角问题。此外，磁干扰类型中的软磁效应不仅会引起磁力仪内部参数的变化，也会导致磁力仪与陀螺的坐标系失准角发生改变。未经校准或校准不充分的磁传感器，如果融合到组合导航系统中反而会拉低最终姿态角的精度。目前磁传感器校准方法根据实时性特征分为离线校准和在线校准，其中离线校准通常是在磁场环境比较理想的情况下进行，这样做的目的可以避免复杂环境造成对校准算法的影响，能够有效的消除磁传感器中的零偏误差、比例因子误差、非正交误差等因素，从而提升离线校准算法的效果。在线校准算法主要是对误差进行模型，通过滤波等手段拟合相关参数，从而实现校准的目的，但是往往存在误差模型复杂，待估状态量比较多，对整个系统的算力要求较高。此外，目前的校准算法对校准数据的要求比较高，校准数据尽量要保证均匀分布、正交性和多样性等特征，要求设备具备能够满足大幅度的机动要求，这对于小型设备基本没有难度，若是车载或机载等应用场景，操作起来比较复杂，采集到的数据很难满足校准要求，从而导致校准过程不一定收敛，算法容易出现奇异值问题。因此现有的磁传感器校准方法不具有工程应用价值，因此限制了磁传感器在组合导航系统中的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法和系统，基于卡尔曼滤波，解决了INS/GNSS组合导航系统与磁传感器相融合的难题，基于Kalman滤波的算法基础上，结合磁传感器提供的真北角信息约束姿态信息中的航向角发散，从而解决了磁传感器在使用过程中需要进行校准补偿才能使用的问题。
根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，采用如下技术方案：
一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，包括：
采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。
作为进一步的技术限定，将卫星导航系统的位置信息、速度信息与惯性导航系统的位置信息、速度信息，以及通过惯性导航系统姿态信息中的航向角信息与基于磁传感器得到的真北角之差分别作为卡尔曼滤波的测量信息，结合卡尔曼滤波，完成信息融合。
进一步的，在信息融合的过程中，将磁传感器误差模型中的灵敏度因子作为卡尔曼滤波方程中的状态矢量的一个待估计参数，通过滤波迭代得到所述灵敏度因子。
作为进一步的技术限定，利用磁传感器信息计算载体真北角信息；假设磁传感器的X轴指向前方，Y轴水平向右且与X轴垂直，Z轴方向垂直向下，采集磁传感器输出数据；根据所得到的地磁场信息矢量和姿态信息，求出根据磁传感器计算得到的载体真北角信息。
进一步的，所述载体航向角为/>；其中，/>为磁偏角，表示地磁场矢量在水平面的投影与地理北向的夹角；/>为磁航向角，即载体前进方向与载体真北角之间的夹角，/>；其中，/>，；/>表示经过校正后磁场矢量在y轴方向的分量；表示磁场矢量经过校正后在x轴方向的分量。
作为进一步的技术限定，在采用平面校准法进行磁传感器的粗校准的过程中，通过水平面的旋转进行校准数据的采集，得到磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；即，/>；令/>，/>；其中/>、/>、/>、/>分别是磁传感器采集到的校准数据的最小值和最大值，/>和/>分别对应平面校准得到的X轴向和Y轴向的零偏信息，/>和/>对应着X轴向和Y轴向的尺度因子。
作为进一步的技术限定，所述惯性导航系统的信息至少包括姿态失准角、速度误差、定位误、陀螺相关漂移、加速度计偏值、航向角偏差和磁传感器尺度因子。
根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统，采用如下技术方案：
一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统，包括：
校准模块，其被配置为采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
融合模块，其被配置为基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
导航模块，其被配置为根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。
根据一些实施例，本发明的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方案所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法中的步骤。
根据一些实施例，本发明的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方案所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用高精度INS/GNSS组合导航系统解算得到的位置信息和载体姿态信息，解决磁传感器在实际校正过程中，因无法提供精确的基准地磁场信息、无法进行复杂的操作和在线运行等复杂环境下无法完成校正操作造成的性能和精度的损失；根据位置信息查询国际地磁参考场（International Geomagnetic Reference Field，简称IGRF）标准地磁模型获取精确的基准地磁场信息，利用姿态信息进行坐标系变换从而获取更多的校正信息，完成对磁传感器的一些误差参数进行实时校正，将得到的校正参数对磁传感器进行补偿，以此得到磁航向角用于增加系统航向角的冗余信息，以此提升系统磁传感器的性能和精度。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例一中的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法的流程图；
图2为本发明实施例一中的磁传感器计测量原理图；
图3为本发明实施例二中的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本发明实施例一介绍了一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法。
如图1所示的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，包括：
采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。
作为一种或多种实施方式，利用平面校准算法对磁传感器进行粗校准。将导航设备与载体捷联安装好之后，在水平面进行旋转进行采集校准数据，求出磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子，即：
，/>；
令，/>；其中/>、/>、/>、/>分别是磁传感器采集到的校准数据的最小值和最大值，/>和/>分别对应平面校准得到的X轴向和Y轴向的零偏信息，/>和/>对应着X轴向和Y轴向的尺度因子。
作为一种或多种实施方式，在低精度惯导/卫星/地磁组合导航系统中，选择惯导系统的姿态失准角、速度误差、定位误/>、陀螺相关漂移/>、加速度计相关偏值/>、航向角偏差/>，以及磁传感器尺度因子/>(共17维)，如下：；
则系统状态空间模型为：
；
量测矩阵信息选取磁力计的预测值与根据地磁模型得到的真是地磁场信息的差，则表示如下：
；
量测矩阵可以表示为：
；
其中，表示从导航系b到导航系n的坐标变换矩阵，即：。
作为一种或多种实施方式，利用磁传感器信息计算载体真北角信息。如图2所示，假设磁传感器的X轴指向前方，Y轴水平向右且与X轴垂直，Z轴方向垂直向下，采集磁传感器输出数据。根据所得到的地磁场信息矢量、姿态信息，求出根据磁传感器计算得到的载体真北角信息/>。假设磁传感器的X轴指向前方，Y轴水平向右且与X轴垂直，Z轴方向垂直向下。同时假设X轴为载体前进的方向，将载体前进的方向与磁北的夹角定义为磁航向角/>，将载体前进的方向与真北的夹角定义为航向角，记为/>；即：；
其中，为磁偏角，表示地磁场矢量在水平面的投影与地理北向的夹角；磁航向角/>可表示为/>；其中，/>，；/>表示经过校正后磁场矢量在y轴方向的分量；表示磁场矢量经过校正后在x轴方向的分量。
本实施例利用平面校准算法对磁传感器进行粗校准，补偿水平轴的零偏误差和灵敏度；基于Kalman滤波的方式将惯导、卫导和磁传感器信息进行融合；在Kalman滤波过程中将求出的灵敏度因子补偿到磁传感器中，进行结算真北角；以此得到磁航向角用于增加系统航向角的冗余信息，以此提升系统磁传感器的性能和精度。
本实施例中的各功能模块相互不影响，正常工作时，通过对各个模块及其观测信息的合理配合和使用，把多传感器在空间或时间上冗余或互补信息依据需求来进行组合，以获得整个系统最大的性能收益和应对复杂环境的鲁棒性。基于Kalman滤波的方式将INS/GNSS与磁传感器进行融合，利用惯导系统解决卫导由于卫星信号失锁造成的无法定位的问题，利用磁传感器解决惯导系统由于长时间无法修正造成的姿态角发散问题，在提升组合导航的稳定性的同时，也提升了磁传感器的工程实用性。
实施例二
本发明实施例二介绍了一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统。
如图3所示的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统，包括：
校准模块，其被配置为采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
融合模块，其被配置为基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
导航模块，其被配置为根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。
详细步骤与实施例一提供的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本发明实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例一所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本发明实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实施例一所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，包括：
采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航；
在采用平面校准法进行磁传感器的粗校准的过程中，通过水平面的旋转进行校准数据的采集，得到磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；即，；令/>，/>；/>是磁传感器采集到X轴向的校准数据的最大值，/>是磁传感器采集到X轴向的校准数据的最小值，/>是磁传感器采集到Y轴向的校准数据的最大值，/>是磁传感器采集到Y轴向的校准数据的最小值，/>表示平面校准得到的X轴向的零偏信息；/>表示平面校准得到的Y轴向的零偏信息，/>表示X轴向的尺度因子，/>表示Y轴向的尺度因子。
2.如权利要求1中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，将卫星导航系统的位置信息、速度信息与惯性导航系统的位置信息、速度信息，以及通过惯性导航系统姿态信息中的航向角信息与基于磁传感器得到的真北角之差分别作为卡尔曼滤波的测量信息，结合卡尔曼滤波，完成信息融合。
3.如权利要求2中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，在信息融合的过程中，将磁传感器误差模型中的灵敏度因子作为卡尔曼滤波方程中的状态矢量的一个待估计参数，通过滤波迭代得到所述灵敏度因子。
4.如权利要求1中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，利用磁传感器信息计算载体真北角信息；假设磁传感器的X轴指向前方，Y轴水平向右且与X轴垂直，Z轴方向垂直向下，采集磁传感器输出数据；根据所得到的地磁场信息矢量和姿态信息，求出根据磁传感器计算得到的载体真北角信息。
5.如权利要求4中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，所述载体航向角为/>；其中，/>为磁偏角，表示地磁场矢量在水平面的投影与地理北向的夹角；/>为磁航向角，即载体前进方向与载体真北角之间的夹角，；其中，/>，/>；表示经过校正后磁场矢量在y轴方向的分量；/>表示磁场矢量经过校正后在x轴方向的分量。
6.如权利要求1中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，所述惯性导航系统的信息至少包括姿态失准角、速度误差、定位误、陀螺相关漂移、加速度计偏值、航向角偏差和磁传感器尺度因子。
7.一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航系统，采用如权利要求1中所述的一种融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法，其特征在于，包括：
校准模块，其被配置为采用平面校准法进行磁传感器的粗校准，得到磁传感器信息，其中，所得到的磁传感器信息包括磁传感器水平轴向的零偏和尺度因子；
融合模块，其被配置为基于卡尔曼滤波进行惯性导航系统、卫星导航系统与磁传感器信息的融合，计算载体真北角；
导航模块，其被配置为根据所得到的载体真北角，计算载体航向角，实现融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-6任一项所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法的步骤。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-6任一项所述的融合磁导航信息的INS/GNSS组合导航方法的步骤。
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