GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法技术方案

本发明专利技术公开了一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。该方法可以快速完成惯性传感器的在线动态标定。

【技术实现步骤摘要】
GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法
本专利技术属于惯性导航与卫星导航
，具体涉及一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法。
技术介绍
北斗卫星导航系统是我国的重大国家战略，是与美国GPS、俄罗斯GLONASS以及欧洲GALILEO并驾齐驱的覆盖全球的星基导航系统(GNSS)。随着北斗三期布网的逐步完善，北斗系统正逐步普及应用于海陆空各类军民载体。卫星导航系统的显著特点是直接提供绝对定位坐标，且误差不随时间积累，但存在无线电信号易受遮挡和干扰的不足。惯性导航系统(InertialNavigationSystem,INS)能够自主隐蔽地进行连续的三维空间导航与测姿，不存在信号的电磁干扰，能跟踪和反映运动载体的机动且输出平稳。但惯性导航的不足在于其导航误差会随时间积累，且误差增长无界。MEMS(MicroElectronicMechanicalSystem)惯性传感器主要指MEMS加速度计和MEMS陀螺仪这两种惯性传感器，用于测量运动载体的线加速度和旋转角速度。由MEMS加速度计和MEMS陀螺组成的惯性导航系统继承了传统惯性传感器的完全自主性、保密性强、不存在信号的电磁干扰等特点，同时又具有尺寸小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性高等传统惯性传感器无法比拟的优点。但受制造工艺所限，其用作导航定位时，误差随时间快速积累。GNSS与惯性传感器相结合的组合导航系统充分发挥了二者的优势，形成有机互补。优势在于：惯导在短时间内能够保持较高的精度，且由于其不受外界工作环境影响，可以补偿GNSS定位过程中产生的随机误差；同时，GNSS提供的绝对定位测速信息可以补偿惯导随时间累积的误差，而保证长距离运行中的测量精度；短时间内惯导的动态信息可以有助于改善GNSS高动态及有干扰环境中的信号失锁和跳变问题。惯性传感器在导航定位中的使用具有方向性，加速度计测量载体的三维的线性运动，陀螺测量载体的三维角运动，进而在导航坐标系上进行积分来获取速度、位置和姿态。惯性传感器构建的惯导设备三轴轴向与载体轴向的不一致性定义为安装误差，而该安装误差为惯导系统的重要误差源之一。传统的惯导以及组合导航设备的使用对安装有着严格的要求，即安装时要求加速度计和陀螺的前向轴与载体前向轴保持一致，竖向轴与载体的垂直方向保持一致，第三轴与前向及竖向轴行成三维直角坐标系。但实际中是无法避免安装误差，只能尽可能减少误差。安装误差减小方法通常是在安装导航硬件设备时由精密测量出安装角度，提前将参数离线固化于导航软件中。此方法存在以下缺点：第一，设备使用不方便，不适用于低成本系统的批量化应用；第二，容错性差，因为安装角度误差过度依赖于人为的离线测量结果，一旦出现错误或偏差无法纠错；第三，每台设备需要单独标定安装角度，标定所需时间长、人力物力等成本高；第四，一旦设备被无意移动后，需要重新测量安装角度；第五，为了迁就轴向一致对齐，对载体的预留安装空间有要求，不同载体之间的通用性差；第六，部分常见载体上不具备要求导航设备轴向与载体轴向一致的条件，比如铁路运输载体的往返行程会出现前进轴向与设备轴向相差180度的不一致性，旋翼式飞行器上无明确前进轴向等。综上所述，传统的设备安装方式与技术大大限制了组合导航系统在各类载体上的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，该方法能够在线估计组合导航系统与载体之间的相对安装角度，接受导航系统硬件设备在载体上以任意角度安装放置。本专利技术所采用的技术方案是，GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。本专利技术的特点还在于，安装误差角为三维角度，分别为MEMS惯性传感器x、y、z三轴与载体的相对夹角，其假设初值均为0；所述MEMS惯性传感器为三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪，分别用于测量载体的线加速度和角速度；所述的GNSS包括北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略。加速度计及陀螺的滤波算法如下：其中，分别为第k时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；分别为第k+1时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；G为滤波增益；fk+1，i，fk+1，i分别为第k+1时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据；分别为第i轴的加速度计和陀螺的上电零偏估计值，该值包含重力场沿着各个轴向的投影。由动态GNSS的速度信息可得到载体加速度aGNSS，k，具体计算如下：设aGNSS，k，i为第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴，i＝1,2,3，的加速度，则aGNSS，k，i为：其中，VGNSS，k+1，i和VGNSS，k，i分别为第k+1及第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴的速度；Tk+1-Tk为k到k+1时刻的时间间隔；则载体加速度aGNSS，k为：由MEMS加速度测量信息可以得到载体在第k时刻的加速度ak，具体计算如下：设fk为由MEMS加速度计测量到包含重力场信息的加速度，则fk为：其中，fk，i为第k时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据，i＝1,2,3；则载体在第k时刻的加速度ak为：ak＝fk-g其中，g为当地重力加速度。MEMS加速度计和陀螺的上电零偏的算法如下：其中，为机体坐标系到MEMS惯性传感器坐标系的方向余弦矩阵，其矩阵元素由安装误差角以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿径向安装角—沿纵向安装角—沿竖向安装角。水平姿态的解耦算法如下：其中，r，p分别为水平安装角度的横滚角和倾斜角在第k时刻的计算分量；分别为在第k时刻对应的滤波估计量；Nr,Np分别为在第k时刻对应的滤波增益，通常选取为0到1之间的常值。使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度的算法与过程如下：(1)根据GNSS在线推导得出的姿态信息包括载体当前时刻的航向角和俯仰角，算法如下：HGNSS，k＝tan-1(VGNSS，k，e/VGNSS，k，n)其中HGNSS，k，PGNSS，k分别为当GNSS有充分速度时在k时刻所推算出的载体航向角和俯仰角；VGNSS，k，i，i＝[enu]T分别为GNSS沿导航坐标系第i轴的速度，i＝e,n,u，即东北天；(2)通过HGNSS，k，PGNSS，k以及假设导航初始时横滚角度为0，则可构建出机体坐标系到导航坐标系的方向余弦矩阵其矩阵元素以刚体欧拉角方式的三维旋转构成，旋转顺序为沿横滚角—俯仰角—航向角；结合之前根据安装角度得到的可以得到导航坐标系到传感器坐标系的方向余弦矩阵：通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。

【技术特征摘要】
1.GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：假定安装误差角初值；在静态状态下，使用该值将重力加速度投影于MEMS惯性传感器坐标系，将其与滤波过后的MEMS加速度计与陀螺的输出进行比较，从而解耦估计出MEMS加速度计和陀螺的上电零偏；通过滤波估计解耦导航的水平姿态，即俯仰角、横滚角，并逐步修正水平安装角度的假设值，使估计值收敛于真实水平安装角度；使用动态GNSS的速度信息、MEMS加速度测量信息及解耦过后的水平姿态，建立滤波器解耦导航的航向与并逐步修正方位安装角度；通过陀螺的测量值来识别导航系统硬件设备在使用过程中发生的安装角度变化。2.根据权利要求1所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述安装误差角为三维角度，分别为MEMS惯性传感器x、y、z三轴与载体的相对夹角，其假设初值均为0；所述MEMS惯性传感器为三个相互正交的MEMS加速度计和三个相互正交的MEMS陀螺仪，分别用于测量载体的线加速度和角速度；所述的GNSS包括北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略。3.根据权利要求1所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，所述加速度计及陀螺的滤波算法如下：其中，分别为第k时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；分别为第k+1时刻的第i轴向的静态加速度计和陀螺的滤波数据；G为滤波增益；fk+1，i，ωk+1，i分别为第k+1时刻的第i轴向的加速度计和陀螺的原始观测数据；分别为第i轴的加速度计和陀螺的上电零偏估计值，该值包含重力场沿着各个轴向的投影。4.根据权利要求3所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，由动态GNSS的速度信息可得到载体加速度aGNSS，k，具体计算如下：设aGNSS，k，i为第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴，i＝1,2,3，的加速度，则aGNSS，k，i为：其中，VGNSS，k+1，i和VGNSS，k，i分别为第k+1及第k时刻GNSS沿导航坐标系第i轴的速度；Tk+1-Tk为k到k+1时刻的时间间隔；则载体加速度aGNSS，k为：5.根据权利要求4所述的GNSS/MEMS惯性组合导航系统的自由安装方法，其特征在于，由MEMS加速度测量信息可以得到载体在第k时刻的加速度ak，具体计算如下：设fk为由MEMS加速度计测量到包含重力场信息的加速度，则fk为：其中，fk，i为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，刘华，韩晓，
申请(专利权)人：杨勇，刘华，韩晓，
类型：发明
国别省市：北京,11