一种抗GPS失效的车载组合导航方法技术

一种抗GPS(全球定位系统)失效的车载组合导航方法，本发明专利技术涉及一种适用于车载低成本组合导航系统的抗GPS失效组合导航方法。该方法首先利用动态卷积相关法估计不同类传感器测量数据的相对时间延迟，依据相对时间延迟校准GPS、陀螺和速度传感器三类传感器的输出数据；其次采用去野值新息正交滑窗平均滤波器剔除上述三类传感器原始数据野值，降低数据离散度；第三，GPS有效状态下实时在线估计陀螺和速度传感器误差系数并补偿；第四，当GPS失效发生时启动递推算法给出位置和航向信息。本发明专利技术解决车载低成本陀螺和速度传感器误差漂移快的问题，显著提高位置、航向精度。可用于任何包含GPS、陀螺、速度传感器的车载导航系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种适用于车载低成本组合导航系统的抗GPS(全球定位系统)失效组合导航方法，从三方面消除陀螺误差，解决了车载低成本陀螺误差漂移快的问题，显著提高GPS失效时陀螺和速度传感器组合导航的位置和航向精度，提升车载低成本组合导航系统在GPS失效情况下的可用性。本专利技术可用于任何包含GPS、陀螺、速度传感器的车载导航系统中。
技术介绍
为了提高行车效率、安全性和经济性，低成本车载组合导航系统越来越普遍的安装于各类车辆。GPS作为主导航设备在低成本车载导航系统中发挥了非常显著的作用，但以无线电定位为主要技术特征的GPS经常受到大气衰减、信号传输遮挡、多径干扰等诸多因素影响，定位可靠性和精度下降，甚至无法完成导航任务，因此研究抗GPS失效的车载组合导航方法成为低成本组合导航系统实用化的必经之路。 以陀螺和加速度计(或者速度传感器)为传感器的惯性导航是GPS导航的有益补充，共同构成车载组合导航系统。为了实现低成本、可普及的目标，车载组合导航系统一般采用成本很低的MEMS(微机电系统)工艺陀螺测量车辆航向，采用速度传感器或者MEMS加速度计测量车辆运动速度。基本工作原理是通过航向和速度组合，推算GPS失效情况下的车辆位置。其推算原理基于两维平面的积分运算，测量误差也随时间同步积分，在没有其他修正信息的情况下其推算精度必然随时间不断恶化。因此，抗GPS失效车载组合导航方法的核心是实时校正陀螺和速度传感器的测量误差，使位置推算精度在GPS失效一定时间内仍然能够满足车辆导航的需求。 本专利技术首先利用动态卷积相关法估计不同类传感器测量数据的相对时间延迟，依据相对时间延迟校准GPS、陀螺和速度传感器三类传感器输出数据；其次采用去野值新息正交滑窗平均滤波器剔除上述三类传感器原始数据的野值，降低数据离散度，提高系统可靠性和精度；第三，GPS有效状态下实时在线估计陀螺和速度传感器误差系数并补偿其输出；第四，当GPS失效发生时，启动递推算法由陀螺和速度传感器给出位置和航向信息。本专利技术从三方面消除陀螺和速度传感器误差，解决了车载低成本陀螺和速度传感器误差漂移快的问题，显著提高GPS失效时陀螺和速度传感器组合推算位置和航向的精度，提升车载低成本组合导航系统在GPS失效情况下的可用性。本专利技术可用于任何包含GPS、陀螺、速度传感器的车载导航系统中。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于车载低成本组合导航系统的抗GPS失效组合导航方法。 本专利技术的技术解决方案为：一种抗GPS失效的车载组合导航方法，其特征在于包括以下步骤： (1)利用静态数据估计陀螺零偏误差：以陀螺零偏误差为状态变量建立状态方程，利用最近的停驶状态数据、采用加权滤波技术实时估计陀螺零偏误差； (2)利用动态卷积相关法估计GPS、陀螺、速度传感器三类传感器测量数据相对时间延迟，被估计的时间延迟源包括：各个采集系统时钟不统一、信号处理速度差异、传感器敏感机理导致的测量不同步等。依据相关函数的峰值计算相对时间延迟，并移位校准GPS、陀螺和速度传感器三类传感器的输出数据； (3)采用新息正交滑窗平均滤波器剔除(2)中三类传感器原始数据野值：通过新息正交滑窗平均滤波器给出每个原始数据的滤波估计值和置信度，依据置信度剔除野值，并在剔除野值位置补充给出估计值，降低数据离散度，提高系统可靠性和精度； (4)实时在线估计陀螺和速度传感器误差系数：在GPS有效时，实时在线计算GPS与陀螺/速度传感器组合导航系统的航向、速度偏差，对差序列进行卡尔曼滤波，估计陀螺和速度传感器的动态误差系数； (5)当GPS失效时，利用拟合得到的误差漂移规律校正陀螺和速度传感器原始输出，校正后的陀螺和速度传感器输出经递推算法给出车辆位置和航向信息。 本专利技术的原理是：车载组合导航系统在GPS失效后采用陀螺和速度传感器组合提供航向和速度，经积分推算后给出车辆位置信息。但陀螺和速度传感器的误差随时间同步积分，严重影响推算车辆位置的精度。陀螺和速度传感器主要误差源包括：陀螺零偏误差、不同传感器测量数据相对时间延迟、传感器测量野值、陀螺动态误差系数、直线段和曲线段陀螺动态误差系数的差别。 本专利技术利用最近3分钟的静止状态陀螺数据经过加权滤波估计陀螺零偏误差，加权原则是越早获得的陀螺数据加权值越小，越晚获得的陀螺数据加权值越大。加权滤波不仅估计当前时刻陀螺零偏误差，还进一步拟合出陀螺零偏误差随时间变化的趋势。在全程导航中实时进行动态卷积相关处理，将最近3分钟内的GPS、陀螺、速度传感器数据进行两两类数据之间的卷积相关，由卷积相关输出的极值确定最佳匹配点和相对时间延迟量。依据相对时间延迟量进行移位对齐GPS、陀螺和速度传感器数据，为后续的误差估计和校正做好数据准备。本专利技术提出新息正交滑窗平均滤波器剔除传感器测量野值，采用新息正交判断和滑窗平均滤波相结合的技术路线：新息正交判断利用测量野值与正常测量值不正交的特点，通过判断最新测量值(新息)随机过程的正交性来判断其中是否存在野值；滑窗平均滤波以当前最新测量值为起点，对之前固定长度的最新测量数据序列进行平均，替代当前最新测量值，达到降低噪声的目的。在行驶当中，滤波器以陀螺和速度传感器动态误差为状态变量，以GPS航向和速度为观测值进行实时卡尔曼滤波。陀螺和速度传感器的动态误差系数根据路况分为直线段误差系数和转弯段误差系数，以提高误差估计精度。 本专利技术与现有技术相比的优点在于：通过加权方式更多采信最新静止状态陀螺数据，提高陀螺零偏误差估计精度，加权滤波不仅估计当前时刻陀螺零偏误差，还进一步拟和出陀螺零偏误差随时间变化的趋势；提出动态卷积相关法估计各个传感器测量数据之间的相对时间延迟，首次考虑时间延迟在实时导航中的影响；利用测量野值与正常测量值不正交的特点，通过判断最新测量值(新息)随机过程的正交性来判断其中是否存在野值，降低数据离散度，提高系统可靠性和精度；全程实时估计陀螺和速度传感器动态误差，并在直线段和转弯段采用不同的误差系数以适应不同的道路状况，补偿精度更高。本专利技术从陀螺零偏误差、不同传感器测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗GPS(全球定位系统)失效的车载组合导航方法，其特征在于包括以下步骤：(1)利用静态数据估计陀螺零偏误差：以陀螺零偏误差为状态变量建立状态方程，利用最近的停驶状态数据、采用加权滤波技术实时估计陀螺零偏误差；(2)利用动态卷积相关法估计GPS、陀螺、速度传感器三类传感器测量数据相对时间延迟，被估计的时间延迟源包括：各个采集系统时钟不统一、信号处理速度差异、传感器敏感机理导致的测量不同步等。依据相关函数的峰值计算相对时间延迟，并移位校准GPS、陀螺和速度传感器三类传感器的输出数据；(3)采用新息正交滑窗平均滤波器剔除(2)中三类传感器原始数据野值：通过新息正交滑窗平均滤波器给出每个原始数据的滤波估计值和置信度，依据置信度剔除野值，并在剔除野值位置补充给出估计值，降低数据离散度，提高系统可靠性和精度；(4)实时在线估计陀螺和速度传感器误差系数：在GPS有效时，实时在线计算GPS与陀螺/速度传感器组合导航系统的航向、速度偏差，对差序列进行卡尔曼滤波，估计陀螺和速度传感器的动态误差系数；(5)当GPS失效时，利用拟合得到的误差漂移规律校正陀螺和速度传感器原始输出，校正后的陀螺和速度传感器输出经递推算法给出车辆位置和航向信息。...

【技术特征摘要】
1.一种抗GPS(全球定位系统)失效的车载组合导航方法，
其特征在于包括以下步骤：
(1)利用静态数据估计陀螺零偏误差：以陀螺零偏误差为状
态变量建立状态方程，利用最近的停驶状态数据、采用加权滤波
技术实时估计陀螺零偏误差；
(2)利用动态卷积相关法估计GPS、陀螺、速度传感器三类
传感器测量数据相对时间延迟，被估计的时间延迟源包括：各个
采集系统时钟不统一、信号处理速度差异、传感器敏感机理导致
的测量不同步等。依据相关函数的峰值计算相对时间延迟，并移
位校准GPS、陀螺和速度传感器三类传感器的输出数据；
(3)采用新息正交滑窗平均滤波器剔除(2)中三类传感器
原始数据野值：通过新息正交滑窗平均滤波器给出每个原始数据
的滤波估计值和置信度，依据置信度剔除野值，并在剔除野值位
置补充给出估计值，降低数据离散度，提高系统可靠性和精度；
(4)实时在线估计陀螺和速度传感器误差系数：在GPS有
效时，实时在线计算GPS与陀螺/速度传感器组合导航系统的航向、
速度偏差，对差序列进行卡尔曼滤波，估计陀螺和速度传感器的
动态误差系数；
(5)当GPS失效时，利用拟合得到的误差漂移规律校正陀
螺和速度传感器原始输出，校正后的陀螺和速度传感器输出经递

\t推算法给出车辆位置和航向信息。
2.根据权利要求1所述的一种抗GPS失效的车载组合导航
方法，其特征在于：利用最近3分钟的静止状态陀螺数据经过加
权滤波估计陀螺零偏误差，加权原则是：越早获得的陀螺数据加
权值越小，越晚获得的陀螺数据加权值越大。
3.根据权利要求1所述的一种抗GPS失效的车载组合导航
方法，其特征在于：所述的加...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛蔚，孙丁圣，裴东，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11