一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，当GNSS数据没有故障，能得到连续保持高精度的位置信息、速度信息、姿态角信息；当GNSS数据故障后，把零速修正是载体运动时一种隐藏的观测值，并判定：加速度计和陀螺仪的数据输出保持平稳，惯导导航输出的总体速度精度小于平面速度；采用一定时间长度为窗口宽度，当窗口内的所有数据满足以上两个条件时，则把窗口内的最后一个数据看成是ZUPT点；当进入零速时，闭环修正各状态量的误差。本发明专利技术能准确的判定载体的运动状态是否满足零速更新点的要求，采用闭环校正的方式修正各状态量，从而进而减小车载状态量的误差，提高定位定向精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法
本专利技术涉及车载高精度组合定位定向技术，具体是一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法。
技术介绍
惯性测量单元IMU(Inertialmeasurementunit)是一能种测量载体三轴方向的角速度和加速度的量测装置。陀螺仪能测出相应的旋转角增量(或者角速度)，包含了载体自身的运动造成姿态角变化所带来的角速度以及地球自转角速度；加速度计的输出量是采样间隔时间上相应于比力的速度，包含由SINS(捷联惯导系统)的运动引起的加速度变化所带来的加速度以及地球重力场在内的三个分量。当把惯性导航系统应用到车载导航定位时，载体的运动过程往往呈现出动态变化剧烈、运行环境复杂、时间长、各状态量之间非线性关系等特点，这些使得GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球卫星导航系统)卫星定位系统发生故障的可能性大大增加。如何仍能有效的提高车载导航系统的动态定位精度，改善由非线性的误差所引起的车载导航系统误差积累造成的影响。所以就必需要充分利用载体的运动状态特征，通过零速更新的方法能有效确定载体的动态特性。这其中就涉及到两大关键因素，一是导航解算过程中零速更新点的确定，通常采用判定加速度计的输出项，或者是载体的整体速度大小，设定相应的阈值，判定是否符合要求，但常常会出现ZUPT点判定的准确率不高，就会出现本身是静止状态却被判定为无效或者是本身不是静止状态却被判定为有效的ZUPT点，这样就会起不到改进甚至增大系统状态量的误差。二就是零速修正的方法，通常是常规的扩展卡尔曼滤波。如辽宁工程技术大学的孙伟提出的基于零速修正的闭环卡尔曼滤波惯性定位方法(可参见中国专利CN201410372716)，该方案中利用零速更新来对惯性独立导航进行校正。但是仍存在以下不足：1)文中利用水平加速度计所敏感到的重力分量来确定载体水平姿态角，这里只能代表水平加速计水平姿态角，和惯导器件之间必然存在偏心角的问题，且该方法只能出俯仰角和横滚角，得不到航向角；2)零速判定条件单一，利用了加速度计总幅值和预设的阈值比较，这种单一的条件对于阈值的要求比较高，因而对零速的判定条件不够准确；3)零速更新卡尔曼滤波器设计思路过于简单，通过零速点来判定是否进行量测更新，未能就零速状态下系统所处本质的导航参数状态进行分析，滤波器过于简单。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，该方法具体指如何判定载体的运动状态是否符合ZUPT点的要求，以及再ZUPT点后具体的修正方法，进而减小车载状态量的误差，提高定位定向精度。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，包括以下步骤：(1)当GNSS数据没有故障，能得到连续保持高精度的位置信息、速度信息、姿态角信息；(2)当GNSS数据故障后，零速修正的判定阈值是载体运动时一种隐藏的观测值，需要对载体是否进入零速进行判定，对于载体进入零速判定的条件具体如下：条件一，当处于静止状态时，陀螺仪的输出量仅含有地球的自转角速度，加速度计的输出量仅包含地球的重力，这两个输出量均属于常量，即加速度计和陀螺仪的数据输出都保持平稳；条件二：受惯性原理决定，INS(InertialNavigationSystem，即惯性导航系统)独立导航时其高程方向的速度精度比平面方向的速度精度低，即惯导导航输出的总体速度精度要小于平面速度；另一方面车辆的运动主要在平面方面，故仅比较载体的平面速度和阈值的关系；条件三：采用一定时间长度为窗口宽度，一定时间长度是不少于1s的时间长度，不是单个历元的原始数据，且利用的是航向角速度和天向加速度，当窗口内的所有数据满足以上两个条件时，则把窗口内的最后一个数据看成是ZUPT点；(3)当判定载体进入零速时，其速度的真值为0，然后设定该GNSS数据的真值为VGNSS＝0，以INS算出的速度和GNSS数据的真值做差即vINS-vGNSS做为零速更新的量测观测值，代入扩展滤波器，闭环修正各状态量的误差，但是位置状态量不做校准，保持量测更新前的位置。作为本专利技术进一步的方案：ZUPT点的校正频率限制，对于零速量测更新的频率会发生闭环滤波的时间更新后进行。作为本专利技术进一步的方案：闭环修正时使用的是卡尔曼滤波，对于已经判定出载体处于零速状态位置，保持载体的位置量不变，即位置量不进行校准，零速点上的位置保持一致。作为本专利技术进一步的方案：所采用的零速修正的判定阈值不是一个人为设定的经验值，而是判断数据的整体特征是否符合随机游走特性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术能准确的判定载体的运动状态是否满足零速更新点的要求，采用闭环校正的方式修正各状态量，修正载体状态量的误差，提高定位定向精度。附图说明图1是速率型加速度计天向输出原始数据；图2是基于窗口平滑的自适应零速更新算法流程图；图3是零速更新纬度和经度平面图；图4是零速更新对于大地高的效果图；图5是零速更新对于天向速度效果图；图6是零速更新对于航向角效果图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本专利技术实施例中，一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，包括以下步骤：(1)当GNSS数据没有故障，则用载波相位差分GNSS数据，通过DUFCOM模糊度搜索方法，得到载体的厘米级的定位精度，即其位置；惯导导航在地球固定坐标系中，由所测角速度和已知地球自转角速度进行四元数更新，得到由载体坐标系转到地球固定坐标系的旋转矩阵，再结合所测载体的加速度进行一次积分得到速度，已知的地球重力值进行二次积分得到位置；针对组合滤波中的状态量为非线性的特征，把两个位置量做差组成扩展卡尔曼滤波的量测观测值，提高载体的位置、速度、姿态观测量的精度，并且反馈校正各状态量的值。这里因在GNSS数据有效的情况下，所能提供的位置和速度观测量的精度一般很高，所以不再需要进行ZUPT修正(零速修正)。(2)当GNSS数据故障后，无法得到无时间积累误差的位置和速度信息，只能通过惯导导航；这时惯导导航的精度会随时间的累积而带来积分误差，当进入零速时，使用零速修正各状态量的误差；零速判定的条件具体如下：条件一，载体在进入零速之前会经过加速-匀速-减速的过程，当处于静止状态时，陀螺仪输出的数据不再包含由运动造成姿态角的变化带来的角速度，而仅仅含有地球的自转角速度，加速度计的输出量同样也不再包含由运动所带来的加速度，而是地球的重力，这两个量均属于常量，因而处于ZUPT期间的惯导的输出量基本保持不变，具有大致相同的运动特性。因为在静止状态时陀螺仪的输出量为地球自转角速度和随机噪声的叠加和，加速度计的输出量是常值的地球重力叠加入随机噪声后的结果。这是本专利技术中零速判定的条件一的依据，即加速度计和陀螺仪的数据输出都保持平稳。条件二：受惯性原理决定，INS独立导航时其高程方向的速度精度一般比平面方向的精度低，即惯导输出的总体速度精度要小于平面速度；另一方面是车辆的运动主要在平面方面，故本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)当GNSS数据没有故障，能得到连续保持高精度的位置信息、速度信息、姿态角信息；(2)当GNSS数据故障后，把零速修正是载体运动时一种隐藏的观测值，需要对载体是否进入零速进行判定，对于载体进入零速判定的条件具体如下：条件一，当处于静止状态时，陀螺仪的输出量仅含有地球的自转角速度，加速度计的输出量仅包含地球的重力，这两个输出量均属于常量，即加速度计和陀螺仪的数据输出都保持平稳；条件二：受惯性原理决定，INS独立导航时其高程方向的速度精度比平面方向的速度精度低，即惯导导航输出的总体速度精度要小于平面速度；另一方面车辆的运动主要在平面方面，故仅比较载体的平面速度和阈值的关系；条件三：采用一定时间长度为窗口宽度，当窗口内的所有数据满足以上两个条件时，则把窗口内的最后一个数据看成是ZUPT点；(3)当判定载体进入零速时，其速度的真值为0，然后设定该GNSS数据的真值为VGNSS＝0，以INS算出的速度和GNSS数据的真值做差即vINS‑vGNSS做为零速更新的量测观测值，代入扩展滤波器，闭环修正各状态量的误差，但是位置状态量不做校准，保持量测更新前的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种基于窗口平滑的自适应零速更新算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)当GNSS数据没有故障，能得到连续保持高精度的位置信息、速度信息、姿态角信息；(2)当GNSS数据故障后，零速修正的判定阈值是载体运动时一种隐藏的观测值，需要对载体是否进入零速进行判定，对于载体进入零速判定的条件具体如下：条件一，当处于静止状态时，陀螺仪的输出量仅含有地球的自转角速度，加速度计的输出量仅包含地球的重力，这两个输出量均属于常量，即加速度计和陀螺仪的数据输出都保持平稳；条件二：受惯性原理决定，INS独立导航时其高程方向的速度精度比平面方向的速度精度低，即惯导导航输出的总体速度精度要小于平面速度；另一方面车辆的运动主要在平面方面，故仅比较载体的平面速度和阈值的关系；条件三：采用一定时间长度为窗口宽度，一定时间长度是不少于1s的时间长度，不是单个历元的原始数据，且利用的是航向角速度和天向加速度，当窗口内的所有数据满足以上两个条件时，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红星，丁学文，
申请(专利权)人：孙红星，
类型：发明
国别省市：湖北;42