用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法技术方案

本发明专利技术涉及针对基于磁性校准测量的混合导航方案的航向。一个实施例针对一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法。该方法包括：从多个GNSS卫星接收信号，获得来自一个或多个惯性传感器的三维惯性测量，和获得来自一个或多个磁力计的三维磁性测量。使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据以及三维磁性测量利用磁性校准滤波器针对三维磁性测量而估计磁性偏置状态。基于磁性偏置状态来计算人工航向。可以使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据、以及人工航向利用主导航滤波器来估计主导航方案。

【技术实现步骤摘要】
用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法关于联邦资助研究或开发的声明本专利技术是利用由捷克共和国技术厅获批的政府合同#2013TA03030674下的政府支持而做出的。政府在本专利技术中具有某些权利。
技术介绍
基于低成本惯性传感器(通常是基于MEMS)的导航集成系统经常使用辅助在非加速飞行阶段期间估计航向的磁力计。然而，因为确保磁性辅助的可靠性是有挑战性的任务，当代系统只有当辅助必要时才使用磁力计测量且只用于航向，而不用于俯仰(pitch)和滚转(roll)。为了确保该磁力计测量不用于俯仰和滚转，当代系统在辅助中通常不使用三维磁性向量。
技术实现思路
一个实施例针对一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法。该方法包括：在对应于对象的位置处从多个全球导航卫星系统(GNSS)卫星接收信号，获得来自对应于所述对象的一个或多个惯性传感器的三维惯性测量，和获得来自对应于所述对象的一个或多个磁力计的三维磁性测量。使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据以及三维磁性测量利用磁性校准滤波器(filter)针对三维磁性测量而估计磁性偏置状态。使用磁性偏置状态针对所述对象来计算人工航向。可以使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据、以及人工航向利用主导航滤波器来估计针对所述对象的主导航方案。附图说明下面的示例性附图旨在辅助示例性实施例的书面描述的理解而不应被认为在范围上限制。图1是系统的示例性实施例，该系统包括具有混合导航系统的对象，混合导航系统被配置为基于磁性校准测量而提供针对对象的航向。图2是方法的一个实施例的流程图，该方法用于确定图1的对象的航向，并确定针对航向的保护限制。图3是多个滤波器的示例性实施例，所述多个滤波器被维护以便确定导航方案，所述导航方案包括航向以及对应的保护限制(包括使用图2的方法的航向保护限制)。根据惯例，各种显示的特征不一定按比例绘制，而是被绘制成强调与示例性实施例相关的特定特征。具体实施方式缺乏对三维磁性向量辅助的利用防止完全在线磁力计校准，其包括两种磁力计校准参数的标识：软铁和硬铁偏置。这样的磁力计校准可以显著改进航向估计准确度，这往往表示由于严格的航向要求所致的集成导航系统或姿态和航向参考系统(AHRS)的设计瓶颈。本文所述的实施例提供一种基于三维磁力计测量的航向方案，其中对磁力计测量中的误差进行适当建模和处理而同时确保三维磁力计测量不影响滚转或俯仰解决方案。本文描述的实施例还提供没有计算要求方面的显著增加的基于方案分离(separation)的针对包括航向的导航参数的空间完整性中的全球导航卫星系统(GNSS)信号。图1描绘了具有一个或多个惯性测量单元(IMU)30的对象12的一个示例性实施例，惯性测量单元(IMU)30包括一个或多个陀螺仪32和加速度计34。对象12还包括从多个卫星1-N接收信号的一个或多个GNSS接收器14。对象12还包括一个或多个磁力计10。对象12还可以可选地包括一个或多个其他传感器11，诸如一个或多个气压计。对象12还包括一个或多个处理设备16，该处理设备16耦合到存储从(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个)磁力计10、(一个或多个)IMU30、和(一个或多个)可选的其它传感器11接收的数据以及指令(例如，软件)的一个或多个存储器单元18。所述指令当在(一个或多个)处理设备16上执行时被配置为使(一个或多个)处理设备16基于来自(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个)磁力计10和(一个或多个)IMU30的数据确定针对对象12的混合导航方案。在存储器18上的指令可包括被配置为在(一个或多个)处理设备16上实现其相应的功能的主导航滤波器模块20、子方案模块22、磁性校准滤波器模块24以及导航方案完整性模块26。应该理解的是，本文所描述的模块20、22、24、26的划分是示例，并且在其它示例中，可以使用更多、更少和/或不同的模块，并且被分配到给定模块的动作可以不同。对象12可以包括期望确定针对其的导航方案的任何对象，诸如有人驾驶或无人驾驶交通工具(例如，飞行器、船、汽车)。由(一个或多个)处理设备16确定的导航方案可输出至导航管理系统40，其包括另一个(或多个)处理设备以监督导航以及向各个单元(例如，(一个或多个)传感器30、(一个或多个)GNSS接收器14和(一个或多个)处理设备16)提供命令。对于有人驾驶飞行器，导航管理系统40可以是通过显示监视器或打印机与驾驶员和地面控制站通信的飞行管理系统。在另一个实施例中，(一个或多个)处理设备16和导航管理系统40可以被组合在单个单元中。导航管理系统40可使用(一个或多个)任何合适的处理设备以及诸如但不限于打印机、计算机屏幕、各种CRT、有源和无源矩阵LCD和等离子显示单元之类的显示技术来实现。(一个或多个)处理设备16和导航管理系统40中的(一个或多个)处理设备可以包括(一个或多个)任何合适的处理设备，诸如数字信号处理设备(DSP)、中央处理单元(CPU)、微控制器或算术逻辑单元。存储器18可包括任何合适的存储实体，诸如闪速驱动器、磁盘驱动器、RAM(例如，DRAM)、ROM、PROM、或CD/DVD/蓝光、光学储存器或光电子电路。(一个或多个)IMU30、(一个或多个)GNSS接收器14、(一个或多个)磁力计10和(一个或多个)可选的其它传感器11可以全部物理附接到对象12，使得其测量对应于对象12。因此，(一个或多个)IMU30可被配置成感测对象12绕三个相互正交的轴的惯性运动，以获得对应于对象12的三维惯性测量。(一个或多个)GNSS接收器14可被配置成在对象12的位置处从GNSS卫星1-N接收信号，并基于所接收到的信号向(一个或多个)处理设备16提供伪距离测量。示例GNSS卫星星座包括全球定位系统(GPS)、GLONASS、伽利略(Galileo)和北斗(Beidou)星座。(一个或多个)磁力计10可被配置成感测对象12的位置处的沿三个相互正交的方向的地球磁场，以获得对应于对象12的三维磁性测量。(一个或多个)可选传感器11包括一个或多个气压计，其被配置成感测对象的位置处的气压以获得对应于对象的气压测量。图2图示方法200的一个实施例，该方法用于使用关于图1描述的系统确定导航方案。由(一个或多个)GNSS接收器14在对象12的位置处接收来自多个GNSS卫星的信号。(一个或多个)GNSS接收器14然后可基于接收的信号来生成伪距离测量(框202)。用(一个或多个)IMU30获得对应于对象12的三维(3-D)惯性测量(框202)。用(一个或多个)磁力计10获得对应于对象12的3-D磁性测量(框202)。如果包括(一个或多个)任何可选的传感器11(例如，一个或多个气压计)，还可以获得对应于对象12的测量(例如，气压测量)。伪距离测量、3-D惯性测量、3-D磁性测量以及来自(一个或多个)可选的其它传感器11的测量(例如，气压测量)(如果存在的话)被提供至(一个或多个)处理设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法(200)，该方法包括：从对应于对象的位置处的多个全球导航卫星系统(GNSS)卫星接收信号(202)；从对应于所述对象的一个或多个惯性传感器获得三维惯性测量(202)；从对应于所述对象的一个或多个磁力计获得三维磁性测量(202)；使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和三维磁性测量利用磁性校准滤波器估计针对三维磁性测量的偏置的磁性偏置状态(204)；基于磁性偏置状态计算针对所述对象的人工航向(206)；以及使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和人工航向利用主导航滤波器估计针对所述对象的主导航方案(208)。

【技术特征摘要】
2015.01.09 US 14/5932661.一种用于确定针对具有磁力计辅助的混合导航系统的航向的方法，该方法包括：
从对应于对象的位置处的多个全球导航卫星系统（GNSS）卫星接收信号；
从对应于所述对象的一个或多个惯性传感器获得三维惯性测量；
从对应于所述对象的一个或多个磁力计获得三维磁性测量；
利用磁性校准滤波器来估计针对所述对象的位置、速度、滚转、俯仰和航向的状态；
利用磁性校准滤波器来估计针对三维惯性测量的校准的状态；
利用磁性校准滤波器来估计针对GNSS时钟的偏置和漂移的状态；以及
利用磁性校准滤波器来估计针对来自GNSS卫星的信号的伪距离偏置的状态；
使用三维惯性测量、来自于来自多个GNSS卫星的信号的数据和三维磁性测量利用磁性校准滤波器估计针对三维磁性测量的偏置的九个软铁偏置状态和三个硬铁偏置状态；
作为以下的函数而计算针对所述对象的人工航向：



其中是来自主导航滤波器的所述对象的滚转估计，是来自主导航滤波器的所述对象的俯仰估计，是磁偏角，以及、和是分别在主架中具有分量x、y和z的经校准的磁性测量，其中作为以下的函数而计算：



其中是对应于软铁偏置的磁性偏置状态矩阵，是对应于硬铁偏置的磁性偏置...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·卡纳，J·杜尼克，M·索塔克，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US