利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法技术方案

GNSS/MINS(Global Navigation Satellite System/Micro Inertial NavigationSystem)紧组合导航中，MINS无法完成姿态的初始对准，在紧组合导航中由于航向的可观测性较弱尤其是载体在静止或者直线运动状态时航向容易发散。本发明专利技术利用MINS模块中集成的磁强计来辅助GNSS/MINS的姿态初始对准。发明专利技术了一种方便易行的磁强计校准方法来削弱车辆金属结构产生的干扰磁场对磁强计测量的影响。并且利用校正后的磁强计输出来辅助MINS完成姿态初始对准，同时使用校准后的磁强计输出来辅助紧组合导航系统的航向，从而解决紧组合导航过程中车辆在静止或直线行驶过程中载体航向发散的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及GNSS/MINS(Global Navigation Satellite System/Micro Inertial Navigation System)组合导航系统中惯导初始姿态的确定方法以及GNSS/MINS紧组合导航系统的航向辅助方法，尤其涉及在车载导航应用中，通过车辆的机动对磁强计进行校正，利用校正后的磁强计数据辅助IMU(Inertial Measurement Unit)进行姿态的初始对准，并且在紧组合导航算法中利用磁强计输出计算得到的航向信息辅助紧组合卡尔曼滤波中的姿态估计的方法。从而解决在紧组合导航应用中低精度MINS无法进行初始姿态自对准的问题，同时解决在紧组合算法中由于航向可观测性较差引起的航向发散问题。
技术介绍
GNSS具有全天候、全球、快速定位的优势，是当前导航领域主要的导航方法。当观测条件良好时，GNSS设备单独工作就能得到可靠的导航结果。然而在高楼林立的城市、森林、峡谷等恶劣的观测条件下，由于建筑物、树木、山体等遮挡，利用GNSS可能无法进行导航定位。INS利用陀螺和加速度计提供的角速率和比力信息来推算载体的位置、速度、姿态等信息，其不受外界干扰，然而由于受误差积累的影响，导致导航定位解算精度随时间发散。GNSS和INS具有良好的互补性，两者的组合能够提供相较于单一系统更精确、可靠的导航定位结果。在GNSS/INS组合导航中，GNSS提供惯导需要的更新信息，从而抑制惯导信息的发散，当GNSS因为信号受到遮挡或者干扰而中断时，惯导仍能继续工作从而增加系统的可靠性和健壮性。卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)的组合应用方式可以极大地提高现有导航系统的可用性，有效增强军事装备动态性能和抗干扰能力。目
前，GNSS/INS组合导航系统已经获得了一些应用，尤其在军事领域。由于组成INS的惯性传感器普遍比较昂贵，也因此限制了GNSS/INS技术的应用范围。对于军事装备而言，高性能、低成本的导航技术在车辆、飞机、舰船、导弹、信息化弹药、微型卫星等多个应用领域具有十分迫切的需求，以实现系统的高可靠性、高抗干扰能力以及精确制导能力。传统的惯性导航系统如机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺体积大、重量高、价格昂贵。这些缺点使其应用局限于军事以及航空领域，限制了惯性器件的广泛应用。随着半导体集成电路微细加工技术以及超精密机械加工技术的发展，MEMS(Micro-Electrical-Mechanical System)传感器得到了蓬勃的发展。MEMS IMU具有体积小、重量轻、功耗低、低成本等优点。从而使惯性导航技术逐渐地进入民用如车载导航、无人机导航定位定姿等领域。MINS技术的出现使低成本GNSS/INS组合技术的广泛应用成为可能。GNSS/INS紧组合导航应用中，导航开始之前需要确定INS的初始姿态信息，中高精度惯导采用解析粗对准方法即能确定出自身的初始姿态信息。解析粗对准的原理如下：如果已知三个向量分别在两个坐标系中的投影，便可以确定出这两个坐标系的转换关系。地球的重力加速度fn和地球的自转运动是两个稳定的信号。高精度的惯导能够测量出这两个信号。除了这两个向量外还需要构造第三个向量。若惯导测量得到的地球重力加速度和自转角速度为和那么可以构造第三个向量来实现初始对准。然而对于低精度的惯导如MEMS INS输出包含了零偏、比例因子、交轴耦合等确定性误差以及高斯白噪声、随机游走等随机噪声，这些误差高达几十°/h甚至几百°/h,而地球自转的角速度约为15°/h导致陀螺无法测量出地球的自转角速度，因此无法完成初始对准。为了解决此问题，本专利技术专利利用MEMS模块中的磁强计来辅助MEMS
INS的初始对准。在GNSS/INS组合导航卡尔曼滤波算法中，无论是松组合方式还是紧组合方式，载体的航向都是可观测性较弱的信息。当载体处于静止状态或者直线运动状态时，载体的航向可观测性最弱，使得航向观测精度变差，对于低精度惯导如MEMS惯导甚至会出现航向发散现象。现在的MEMS INS中通常都集成了磁强计传感器，利用地磁场在磁强计各轴线上的投影能够求得载体的航向信息，因此可以将磁强计求得的航向信息作为卡尔曼滤波的一个组合量。利用磁强计来获取航向的前提是磁强计所在的地磁场不受外界的干扰，但是在实际的车载导航应用中，磁强计会受到车辆的金属结构产生的干扰磁场的影响，通常而言，车辆结构产生的干扰磁场的方向相对于车体的方向是固定不变的，在实际的车载导航应用中，由于MEMS INS与车体是固连的，因此干扰磁场在MEMS INS坐标系中的投影也是固定不变的，从而使得干扰磁场被消除成为可能。除了干扰磁场造成的误差，由于制造工艺的限制，磁强计本身存在误差，确定性的误差包括零偏、比例因子、交轴耦合。在高精度的姿态测量中，必须对磁强计进行严格的标定计算得到三种确定性误差。一般为了标定出磁强计本身存在的误差需要借助转台等专业设备，标定方法需要耗费大量的人力、物力，不适用于车载导航应用。在车载导航应用中，干扰磁场对航向测量影响最大，而由于磁强计本身的误差可忽略，针对这种情况本专利技术专利设计了一种针对车载导航应用的磁强计校准方法，该方法简便易行不需要借助于任何外部设备，同时利用校正后的磁强计输出，来解决GNSS/MINS紧组合导航接收机初始姿态对准以及导航过程中在静止和直线场景下航向发散的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题为：GNSS/MINS组合导航应用中，MEMS INS
无法完成航向的初始对准，以及在导航过程中车辆在直线或者静止状态下，航向的可观测性较弱，导致的航向发散问题。本专利技术的主要内容如下：利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：首先使装有GNSS/MINS紧组合系统的载体进行机动，使载体的航向遍历0～360°，在整个过程中记录组合系统中磁强计的输出，分别计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz；步骤2：当载体航向遍历0～360°后，使载体静止设定的一段时间，记录组合系统中加速度计的输出，得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，计算得到载体的横滚角φ和俯仰角θ；步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx,biasy,biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出；步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，利用磁强计均值以及横滚角和俯仰角计算载体的航向信息，从而完成初始对准；步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。其中，步骤1中磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz的计算方法为：首先使机动车辆航向遍历0～360°，记录车辆机动过程中磁强计X，Y，Z轴的输出，分别计算得到磁强计X轴输出的最大值和最小值Mxmax，Mxmin；Y轴输出
的最大值和最小值Mymax，M本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：首先使装有GNSS/MINS紧组合系统的载体进行机动，使载体的航向遍历0～360°，在整个过程中记录组合系统中磁强计的输出，分别计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz；步骤2：当载体航向遍历0～360°后，使载体静止设定的一段时间，记录组合系统中加速度计的输出，得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，计算得到载体的横滚角φ和俯仰角θ；步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx,biasy,biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出；步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，利用磁强计均值以及横滚角和俯仰角计算载体的航向信息，从而完成初始对准；步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。

【技术特征摘要】
1.利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：首先使装有GNSS/MINS紧组合系统的载体进行机动，使载体的航向遍历0～360°，在整个过程中记录组合系统中磁强计的输出，分别计算得到磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz；步骤2：当载体航向遍历0～360°后，使载体静止设定的一段时间，记录组合系统中加速度计的输出，得到加速度计X，Y，Z轴输出的平均值fx,fy,fz，计算得到载体的横滚角φ和俯仰角θ；步骤3：利用计算得到的磁强计各轴的补偿值biasx,biasy,biasz来补偿磁强计的输出，得到补偿后的磁强计输出；步骤4：计算经过补偿后的磁强计输出的均值，利用磁强计均值以及横滚角和俯仰角计算载体的航向信息，从而完成初始对准；步骤5：初始对准完成后，进入导航状态，导航开始后利用磁强计的实时输出计算得到载体的实时航向信息，利用载体的实时航向信息作为GNSS/MINS紧组合系统中的卡尔曼滤波器的一个观测量对由惯导计算的航向信息进行校正；完成利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向的校正。2.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤1中磁强计X，Y，Z轴的补偿值biasx,biasy,biasz的计算方法为：首先使机动车辆航向遍历0～360°，记录车辆机动过程中磁强计X，Y，Z轴的输出，分别计算得到磁强计X轴输出的最大值和最小值Mxmax，Mxmin；Y轴输出的最大值和最小值Mymax，Mymin；Z轴输出的最大值和最小值Mzmax，Mzmin；机动完成后利用下式计算磁强计X，Y，Z轴输出的补偿值： b i a s x = Mx m a x + Mx m i n 2 - - - ( 1 ) ]]> b i a s y = My m a x + My m i n 2 - - - ( 2 ) ]]> b i a s z = Mz m a x + Mz m i n 2 - - - ( 3 ) ]]>3.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤2中横滚角和俯仰角的计算方法如下：φ＝atan2(fy,fz) (4) θ = a t a n 2 ( - f x , f y 2 + f z 2 ) - - - ( 5 ) ]]>4.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤3中补偿磁强计输出的方法如下： M x ~ = M x ^ - b i a s x ; - - - ( 6 ) ]]> M y ~ = M y ^ - b i a s y ; - - - ( 7 ) ]]> M z ~ = M z ^ - b i a s z ; - - - ( 8 ) ]]>上式中为磁强计X，Y，Z轴的输出，为磁强计X，Y，Z轴经过补偿后的输出。5.根据权利要求1所述的利用磁强计辅助GNSS/MINS紧组合系统进行航向校正的方法，其特征在于，步骤4中计算航向角的方法如下： ψ = a t a n 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青江，智奇楠，刘鹏飞，马国驹，贾瑞才，王博远，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13