[發(fā)明專利]一種MIMU和GNSS信息融合的方法

有效

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• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN102853837A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發(fā)明（設計）人: 唐康華;何曉峰;張開東;胡小平;李濤;江明明;郭瑤;羅勇
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01S19/47
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 周長清

技術領域

本發(fā)明主要涉及到導航系統(tǒng)領域，特指一種基于低成本、低精度MIMU的MIMU/GNSS信息融合的方法。

背景技術

眾所周知，慣性導航系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)點，在航空、航天和航海等領域得到了廣泛的應用。例如，在微型飛行器、微型機器人等微小型設備等領域有著大量的應用，這也促使慣性導航系統(tǒng)向低成本、微型化、低功耗的方向發(fā)展。近幾年來，由于MIMU/GNSS組合導航系統(tǒng)具有成本低、體積小、功耗低等優(yōu)點，因而受到眾多研究者的關注。MIMU(Micro-Electro-Mechanical-Systems?based?Inertial?Measurement?Unit)和GNSS(Global?Navigation?Satellite?System)組合，構成MIMU/GNSS組合導航系統(tǒng)，兩者之間可以克服各自缺點、取長補短，使二者性能得到互補。MIMU/GNSS組合導航系統(tǒng)以MIMU和GNSS輸出的信息(如位置、速度、偽距或偽距率等)差值作為觀測量，以MIMU線性化的誤差方程作為系統(tǒng)方程，通過Kalman濾波器對MIMU的速度、位置、姿態(tài)角以及傳感器的誤差進行最優(yōu)估計，并根據(jù)估計結果對MIMU進行輸出或者反饋校正。

對于MIMU/GNSS信息融合的方法，現(xiàn)有技術中有許多研究人員進行了大量的理論研究，取得了很多的進展。目前，MIMU/GNSS組合導航信息融合方法主要采用單一濾波器對MIMU的位置、速度、姿態(tài)角以及傳感器的誤差進行最優(yōu)估計。這種方法存在濾波器狀態(tài)方程維數(shù)大、計算復雜等缺點。同時，由于MEMS慣性器件性能較差，且受溫度影響大等特點，在組合導航濾波器設計時需要更多的考慮慣性器件誤差影響，可能會造成濾波器發(fā)散。

目前，基于低成本、低精度MIMU的MIMU/GNSS信息融合方法均采用單一濾波器，由于器件誤差耦合的影響，存在計算量大、精度不高、可用性較差等不足，難以滿足航空制導設備、無人飛行器、機器人和地面車輛等日益迫切的高精度要求。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題就在于：針對現(xiàn)有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、處理速度快、精度高、容錯性強、適用范圍廣的MIMU和GNSS信息融合的方法。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案：

一種MIMU和GNSS信息融合的方法，包括以下步驟：

(1)基于MIMU角速度和比力數(shù)據(jù)，分別在ECEF坐標系和NED坐標系下進行慣性導航解算；將NED坐標系下慣性導航的姿態(tài)角直接賦給ECEF坐標系下的導航解算，并將GNSS接收機解算得到的位置、速度信息作為慣性導航解算初始狀態(tài)的位置、速度；

(2)建立ECEF坐標系下的位置和速度誤差方程，作為ECEF坐標系下的誤差狀態(tài)方程；建立NED坐標系下姿態(tài)角誤差方程和速度誤差方程，作為NED坐標系下的誤差狀態(tài)方程；

(3)利用GNSS偽距和偽距率值建立ECEF坐標系下信息融合的觀測方程，利用GNSS北向速度和東向速度值建立NED坐標系下信息融合的觀測方程；

(4)基于ECEF坐標系下的誤差狀態(tài)方程，采用卡爾曼濾波器進行位置誤差、速度誤差、加速度計偏置估計；基于NED坐標系下的誤差狀態(tài)方程，采用卡爾曼濾波器進行姿態(tài)角誤差和陀螺零偏估計；

(5)對于ECEF坐標系下的慣性導航解算進行位置與速度信息的反饋校正，對于NED坐標系下的慣性導航解算進行姿態(tài)角與速度信息的反饋校正，根據(jù)估計陀螺零偏和加速度計偏置，分別對IMU輸出的角速度和比力進行修正；

(6)由ECEF坐標系和NED坐標系下的慣性導航解算綜合向用戶輸出載體的姿態(tài)角、位置、速度、角速度和加速度信息。

作為本發(fā)明的進一步改進：

所述步驟(2)中的ECEF坐標系下誤差狀態(tài)矢量為X^e＝[δR^e?δV^e?δa^b]^T，其中δR^e、δV^e分別為ECEF坐標系下的位置誤差和速度誤差矢量，δa^b為三個軸的加速度計零偏；NED坐標系下誤差狀態(tài)矢量Xⁿ＝[δVⁿ?ε?δω^b]₈，其中δVⁿ＝[δV_N?δV_E]分別為北向、東向速度誤差；ε為姿態(tài)角誤差；δω^b為微陀螺偏差。