一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，分析了车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，建立MIMU的三周加速度计感知车体前向加速度的模型，并由加速阶段汽车的尾垂现象对模型改进；根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；非线性方程组的求解是一个难题，其解的情况比较复杂，为了解决这个问题，本发明专利技术采用牛顿迭代法逐次逼近求解；依据实际情况选择合理的初值，对迭代终止条件做了限制，以降低计算量；对每次采集的数据得到的迭代最终解给出限制条件，并将每次采集数据得到的解做平均，提高了MIMU安装误差角的可信度。

A calculation method of MIMU installation error angle in vehicular satellite based enhanced multimode GNSS / MIMU integrated navigation

【技术实现步骤摘要】
一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法
本专利技术涉及一种基车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，尤其涉及一种利用牛顿迭代法解由加速度计测量值及车辆加速阶段运动规律建立的关于安装误差角的非线性方程组的算法。
技术介绍
随着无人驾驶汽车和智能高铁等智能交通系统的发展，对车载导航定位系统的要求越来越高：既要求导航系统降低成本以适应民用领域的大规模应用，又要求具有较高的精度以达到无人化的技术要求；既要求小型化以占有更小的空间、减小重量，又要求具有非常高的可靠性。国内特大城市的迅速发展，在城市复杂环境下，车辆集中，城市高楼林立，多层高架，隧道，地下停车场等复杂因素使用户对导航定位应用服务上提出更多的需求。当前用于车载组合导航的设备主要有：惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)、全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)、激光雷达、多普勒测速仪、气压高度计、相机等。每种方式都存在相应的优缺点，没有哪一种方式能够独立满足载车运行过程中所需的各种要求，基于增强系统多模GNSS/MIMU及列车运动规律约束的组合导航方法成为研究的热点。目前提高GNSS精度的主要方法是采用地基增强或星基增强技术，星基增强技术具有更大范围的适用性。但是GNSS信号在复杂环境中中存在断续、衰落等问题，造成接收机观测值精度严重不足，甚至出现信号失锁等现象，成为车载导航发展的技术瓶颈。基于微机电系统技术的惯性测量单元(Inertialmeasurementunit，IMU)，即MIMU，具有微型化、低功耗、低成本、高可靠的特点，且自主性高、隐蔽性强、信息全面，但是精度随时间发散。近年来，MEMS技术的发展已使得其达到中等导航精度应用场合的要求。GNSS/MIMU组合导航系统在GNSS失效的情况下，结合载车运动约束信息，可以不增加其他传感器就克服各自明显缺点，保证导航信息的连续性和可用性，提高系统完好性，降低系统的成本。但是，在运用载车运动约束信息前，需要得到比较难以解决的MIMU在载车上的安装误差角。因为MIMU在载车上的安装不能如高精度的惯导系统一样有专门设计的高精度的工装来保证很小安装误差，较大的安装误差会影响载车运动约束信息作用的发挥。
技术实现思路
本专利技术提供了一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，可以有效解决上述问题。为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，包括以下步骤：S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导系统水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导系统进行方位对准；S2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；S3：根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；S4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。进一步的，S2的具体步骤如下：S2.1：建立基于载体坐标系的静态情况下加速度计测量模型；S2.2：建立基于载体坐标系的动态情况下的加速度计的测量模型；S2.3：考虑在加速阶段载车的尾垂现象，对模型进一步改进；S2.4：将S1中采集的数据做平均，并在S2.3得到的改进后的模型中扣除，得到由于载车前向加速度而产生的加速度在MIMU的三轴加速度计上的分量模型。进一步的，S2.4中前向加速度定义为，其中，为前向加速度在各轴加速度计的分量，由加速度计输出扣除其余无关加速度得到，为车体的前向加速度。进一步的，S4中牛顿迭代法解S3中建立的关于MIMU安装误差角的非线性方程组，具体步骤为：根据MIMU安装的实际情况，选择合适的初值将S3建立的非线性方程组Gi的分量在处多元函数泰勒展开，取其线性部分则可表示为求解线性方程组，并记解为a(k+1)，则得其中当满足时停止迭代，为非线性方程组的解；根据安装误差角的特点，对迭代终解进行合理限制，设置的限制条件为：||ai||∞＜10将由每一时刻采集的数据计算得来的解平均即得到安装误差角的最终解向量；有益效果：1)本专利技术采用加速阶段的加速度作为计算安装误差角的主要信息，相比传统的滤波估计方法，找到了一条新途径。2)本专利技术所用的算法仅需要启动后静止阶段和加速阶段获得的数据，不影响组合导航系统的正常运行。3)通过将汽车加速过程中尾垂现象对加速度测量模型进行改进，本方法对汽车环境和铁路环境均适用。4)在解关于安装误差角的非线性方程组的时候，通过对初值的选取、设置迭代终止条件、设置解的合理性检测条件、将多次采样数据计算的解做平均等方法，减小了计算量，提高了解的精度和可靠性。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，包括以下步骤：S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导系统水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导系统进行方位对准；MIMU的初始对准由于MIMU的陀螺的精度相对较低(陀螺零偏不稳定性为6deg/h左右)，不能独自完成对准，结合静基座解析粗对准技术和GNSS提供的航向信息制定如下对准方案。静止情况下，采集一段加速度计的测量值，并对测量值做时间平均。考虑到加计的零偏，加速度计的输出信号如下：式中，fb为加速度计的测量值，为姿态矩阵，gn为导航系内的重力加速度矢量，为三个轴上加速度计零偏，展开得：忽略加速度计零偏，从加速度测量值可得MIMU的初始的俯仰角和横滚角：当MIMU安装在载车上时，比较容易使MIMU的水平各轴和车体水平各轴在近似平行平面内，这时可认为水平安装误差角是小角度。在初始直线运动条件下，可由GNSS接收机的速度推算得到车体运动的初始航向角：ψ0＝arctan(vE/vN)(4)式中，vE、vN本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导系统水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导系统进行方位对准；/nS2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；/nS3：根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；/nS4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。/n

【技术特征摘要】
1.一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立静止情况下水平角解析初对准模型对惯导系统水平姿态角进行对准，再通过建立在启动段忽略安装误差下由GNSS测得的速度完成方位对准的模型对惯导系统进行方位对准；
S2：分析车载环境下车辆的运动规律和车辆在平直路段加速过程的运动特点，考虑在加速阶段载车的尾垂现象，建立改进的MIMU的三轴加速度计感知车体前向加速度的模型；
S3：根据得到的改进后的加速度计测量模型推导出关于MIMU的三个安装误差角的非线性方程组；
S4：在设置的初始条件下，用每一次采集的数据对MIMU的三个安装误差角的非线性方程组运用牛顿迭代法求解，并设定迭代终止条件和先验信息对迭代终解检验，将通过检验的解取平均值，得到最终的安装误差角。


2.根据权利要求1所述的一种车载星基增强多模GNSS/MIMU组合导航中MIMU安装误差角的计算方法，其特征在于，S2的具体步骤如下：
S2.1：建立基于载体坐标系的静态情况下加速度计测量模型；
S2.2：建立基于载体坐标系的动态情况下的加速度计的测量模型；
S2.3：考虑在加速阶段载车的尾垂现象，对模型进一步改进；
S2.4：将S1中采集的数据做平...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，黄燕，黄凯，方立，王洪平，
申请(专利权)人：福建海峡北斗导航科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35