一种GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法技术方案

本发明专利技术公开了一种GNSS/MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，在卫星信号质量可靠时估计高度，并利用基于卫星伪距测量值残差的稳健位置误差估计方法估计高度误差，根据GNSS的高度估计值实时校正更新基准气压估计值来校正MEMS气压计，并利用基准气压估计值来辅助GNSS/MEMS组合系统提高高度估计值的精度。利用卫星伪距测量值残差，对其采用绝对中值偏差的算法稳健估计残差的标准差，来估计测量值误差的标准差。利用测量值误差的标准差和位置误差之间的比例关系估计GNSS接收机位置误差的方差。利用GNSS的结果，同时估计基准气压值和基准气压误差的方差。实时更新基准气压的误差水平，并和最新的GNSS高度误差水平进行对比，得到精度最高的基准气压估计值。

On line correction method for air pressure gauge in GNSS and MEMS integrated navigation system

The invention discloses a pneumatic GNSS/MEMS integrated navigation system in the online correction method, height estimation in satellite signal quality is reliable, and the robust position error of the pseudorange measurement residuals of the estimation method to estimate the height error based on the real-time correction of updating the reference pressure estimation value to adjust MEMS barometer according to the height estimation value of GNSS and, by the reference pressure estimation value to aid the GNSS/MEMS system to improve the precision of the estimated height. The standard deviation of the residual error is estimated by using the algorithm of Absolute Median deviation, which is used to estimate the standard deviation of the measurement error. Estimation of the variance of the position error of the GNSS receiver based on the ratio of the standard error and the position error. Using the results of GNSS, the variance of the reference pressure value and the reference pressure error is estimated at the same time. The error level of the reference pressure is updated in real time and compared with the latest GNSS height error level.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种MEMS气压计的实时校正方法，特别的涉及一种应用在GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计实时校正方法。
技术介绍
GNSS卫星接收机通过捕获、跟踪多个卫星的信号，从信号中解调卫星轨道参数、星载原子钟模型等导航电文数据，计算某一时刻的卫星位置、速度和时间参数，最后综合卫星信号测量值估计出接收机(即用户)的位置和速度。但是卫星信号容易受到接收机所处环境因素，如高楼、峡谷、树木、隧道等的遮挡，影响定位结果的可用度。因为惯性导航的特性与卫星导航有很好的互补性，所以惯性器件与GNSS的组合导航系统是一种重要的导航解决方法，MEMS技术的高度发展，GNSS/MEMS传感器组合导航系统更广泛的应用成为可能。其中MEMS气压计是组合导航系统中的一个重要传感器。MEMS气压计在GNSS/MEMS组合导航系统中可以作为气压高度计来用，气压高度计原理是：在地球地表附近的低海拔区域，环境中的气压会随着高度变高而变小，这种变化的规律满足一定的函数关系，该变化关系为一个函数：P=P0[1-alt44330]5.255---[1]]]>其中P0为海平面气压，也即基准气压，那么在基准气压固定的情况下，得到某一高度处气压值的测量值P，就可以得到海拔高度的估计值为：alt=44330[1-(PP0)15.255]---[2]]]>然而在实际情况下，气压随着当地的天气状况又有不同的变化，所以直接利用气压模型计算海拔高度就会产生较大的误差。利用外部的校正手段，将随着天气变化的模型误差归结到海平面气压值p0的变化上，能从一定程度减少高度估计的误差。然而气压计的一些性能特点又导致在使用时需要特殊的校正控制方法。一般的MEMS气压计对测量相对气压变化的精度比较准确，能达到1Pa左右，对应的高度变化为0.1m。在静止期间相对气压变化的情况如图3所示。但是如果仅仅在启动是时候初始化海平面基准气压值，那么几个小时后随着期间本身漂移的积累和本地天气的变化，这种气压估计值的误差会迅速积累，如图4所示，静止条件下6个小时内气压高度计得到高度变化情况。这两种因素的联合影响导致在静止的时候气压计输出的气压值在短短几个小时内变化200Pa，对应的高度变化为20m。因此，本领域的技术人员致力于开发一种GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，使得MEMS气压计在GNSS组合导航中准确地指示气压。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是在GNSS和MEMS组合导航系统中，MEMS气压计如何实时校准误差。为实现上述目的，本专利技术提供了一种GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，包括如下步骤：步骤1、在卫星信号质量可靠时利用GNSS接收机估计高度altGNSS；步骤2、利用上述的高度结果校正MEMS气压计得到基准气压估计值P0_EST；步骤3、利用公式alt=44330[1-(PP0)15.255]]]>计算高度估计值。进一步地，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1、利用卫星伪距测量值残差，对其采用绝对中值偏差的算法稳健估计残差的标准差，来估计测量值误差的标准差；步骤2.2、利用测量值误差的标准差和位置误差之间的比例关系估计GNSS接收机位置误差的方差；步骤2.3、利用GNSS接收机位置误差的方差估计基准气压值和基准气压误差的方差；步骤2.4、实时更新基准气压的误差水平，并和最新的GNSS高度误差水平进行对比，得到基准气压估计值P0_EST。进一步地，所述步骤2.1包括如下步骤：步骤2.11、若接收机位置计算后的伪距残差向量为prResi＝[prResi1prResi2…prResin]；步骤2.12、伪距测量值的误差方差和相应的位置误差方差为：varPrRobust＝(median(abs(prResi–median(prResi))))varAlt＝varPrRobust*HDOP其中abs和median分别为对向量取绝对值和中位数的函数。进一步地，所述步骤2.4包含以下步骤：步骤2.41、在每一个更新间隔的期间，GNSS接收机通过MEMS气压计读取K个接收机附近的气压采样测量值Psample＝[Psample1Psample2...PsampleK]；步骤2.42、对采样序列取平均作为该更新历元的气压测量值：PBARO＝mean(Psample)。进一步地，若该历元没有进行更新，则基准气压值沿用历史参数，同时根据气压计的特性放大varP0：varP0＝varP0+varT。进一步地，所述varT取值范围为0.05～0.1。进一步地，所述步骤2.4还包括：步骤2.43、利用GNSS的高度altGNSS和气压计测得的平均气压PBARO对基准气压P0_EST进行更新，同时更新其对应的误差方差：P0_EST=PBARO[1-altGNSS44330]5.255.]]>针对MEMS气压计和组合导航系统的需求，本专利技术目的在于提供一种利用GNSS定位结果的气压高度计在线校正方法，也即基准气压实时估计方法，该方法应用于GNSS/MEMS组合导航系统的高度估计。本专利技术主要分为两部分：基准气压实时更新策略和基准气压计算。在组合导航系统定位过程中，根据接收机所处环境的卫星跟踪状况、实际计算的GNSS高度估计精度、缓存基准气压估计值、缓存基准气压估计时间点等信息来确定是否更新，确保基准气压实时准确估计。如果GNSS卫星接收机的定位结果满足基准气压的更新条件，则选取GNSS卫星高度估计值altGNSS，另统计该定位历元一秒时间内气压计的平均值PBARO，利用公式计算基准气压值P0，其估计值记为P0_ESTP0_EST=PBARO[1-altGNSS44330]5.255]]>本专利技术的优点：结合了GNSS接收机高度估计长时间无偏和MEMS气压计短时间相对稳定的特点，利用在卫星信号状况好的情况下利用卫星接收机估计的高度估计当地的基准气压P0；在卫星信号差的时候利用相对准确的气压计估计值估计高度，从而整体提高组合导航系统高度估计的精度。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的GNSS/MEMS组合导航系统示意图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、在卫星信号质量可靠时利用GNSS接收机估计高度altGNSS；步骤2、利用上述的高度结果校正MEMS气压计得到基准气压估计值P0_EST；步骤3、利用公式alt=44330[1-(PP0)15.255]]]>计算高度估计值。

【技术特征摘要】
1.一种GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，其特征在于，
包括如下步骤：
步骤1、在卫星信号质量可靠时利用GNSS接收机估计高度altGNSS；
步骤2、利用上述的高度结果校正MEMS气压计得到基准气压估计值P0_EST；
步骤3、利用公式
alt=44330[1-(PP0)15.255]]]>计算高度估计值。
2.如权利要求1所述的GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，
其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、利用卫星伪距测量值残差，对其采用绝对中值偏差的算法稳健估计残差
的标准差，来估计测量值误差的标准差；
步骤2.2、利用测量值误差的标准差和位置误差之间的比例关系估计GNSS接收机
位置误差的方差；
步骤2.3、利用GNSS接收机位置误差的方差估计基准气压值和基准气压误差的方
差；
步骤2.4、实时更新基准气压的误差水平，并和最新的GNSS高度误差水平进行对
比，得到基准气压估计值P0_EST。
3.如权利要求2所述的GNSS和MEMS组合导航系统中的气压计在线校正方法，
其特征在于，所述步骤2.1包括如下步骤：
步骤2.11、若接收机位置计算后的伪距残差向量为
prResi＝[prResi1prResi2…prResin]；
步骤2.12、伪距测量值的误差方差和相应的位置误差方差为：
varPrRobust＝(median(abs(prResi–m...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟昆朋，何文涛，蔺晓龙，冯华星，黄璐，王浩，殷明，
申请(专利权)人：中国科学院嘉兴微电子与系统工程中心，
类型：发明
国别省市：浙江;33