[發明專利]一種MEMS/GPS組合導航系統中量測滯后的濾波方法

有效

• 申請號: 201410083232.8
• 申請日: 2014-03-08
• 公開（公告）號: CN103901459A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 周廣濤;姜鑫;孫艷濤;趙博;郝勤順;夏秀瑋;于春陽;趙維珩;李佳璇;林萌萌
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01S19/49
• 分類號: G01S19/49;G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于一種組合導航方法，尤其涉及MEMS/GPS組合導航系統中量測滯后的濾波方法。

背景技術

MEMS慣性器件（MEMS陀螺和MEMS加速度計）與機械轉子陀螺慣性測量組件及光電陀螺慣性測量組件相比，具有體積小、質量輕、價格低、功耗小、可靠性高、測量范圍大、易于集成化等優點，在軍用和民用領域具有廣闊的發展和工程應用前景。但是由于目前MEMS慣性器件精度較低，慣性導航誤差隨時間累積，微慣性導航系統還不具備獨立導航定位能力。為發揮MEMS微慣性測量單元小體積、低成本的優勢，慣性導航系統中采用MEMS敏感元件構成IMU（Inertial?Measurement?Unit）。慣性導航由于采用積分原理，MEMS漂移大，難以長時間獨立工作。未解決這一問題，可以使用組合導航技術，依靠定位誤差不隨時間積累的輔助導航系統提供的信息來補償和抑制慣性導航隨時間而增長的誤差，達到提高整個導航系統精度的目的。

在進行組合導航設計時，一個關鍵的問題是必須保證用于融合的導航數據在融合時間點上是一致的，即要解決不同導航子系統之間的實時數據同步問題。在實際應用中，數據丟失和數據延遲等現象經常出現。而很多情況下，量測數據的延遲的情況直接被當作數據丟失來處理，這樣就會降低濾波器的性能。造成測量數據的滯后主要有以下幾點原因：

1.由于溫度特性等因素的影響，MEMS的頻標會出現漂移

2.數據采集設備接口沖突。

3.某時刻可能同時有兩個或兩個以上的測量數據同時到達了某個數據處理節點，這個時候數據處理節點就會強迫某些測量數據進入等待狀態而不能立即得到處理；

4.由于某些測量數據的處理耗時較大耽誤了其它測量數據的處理。

以上這些原因造成了測量數據的滯后。如果不對量測滯后進行補償，就會導致系統的誤差發散。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠有效地提高MEMS/GPS組合導航系統的精度，避免了量測數據發生延遲時可能導致系統誤差發散的問題的MEMS/GPS組合導航系統中量測滯后的濾波方法。

本發明的目的是這樣實現的：

步驟一、采集MEMS三軸陀螺信號和加速度計信號；

步驟二、采集GPS輸出的速度V，經度λ和緯度用GPS接收的導航信息來校正MEMS的陀螺和加速度計的漂移；

步驟三、選取MEMS/GPS組合導航系統Kalman濾波器的狀態變量。本發明選取的Kalman濾波器的狀態變量為

其中，δλ是經度誤差，是緯度誤差；δV_E是東向速度誤差，δV_N北向速度誤差；α,β,γ是初始的姿態誤差角；V_E為載體的東向速度，V_N為載體的北向速度；是加速度計零偏；ε_x,ε_y,ε_z是三個軸的陀螺常值漂移。

步驟四、根據MEMS的慣性系統的誤差方程，計算姿態誤差角、速度誤差和位置誤差。

步驟五、在接收到量測數據時，根據Bernoulli變量序列γ_k來確定測量數據是否發生延遲。并將γ_k加入到Kalman濾波器的方程中。

步驟六、根據步驟五的判斷結果，選擇量測方程對系統進行量測更新。假設系統只有一個測量數據發生了滯后，滯后時間為d，且在此時段之內沒有再次發生測量數據滯后，則系統的量測方程為

Z_k=H_kX+V_k

Z′_k=H′_sX_s+V′_s

其中，k≥1；Z_k是k時刻的觀測向量；V_k是觀測噪聲。第二個式子是針對滯后的量測信息建立的量測方程，這個方程的Z′_k表示的s時刻的觀測向量，這里s=k-d。Z′_k在k時刻到達系統，但是反映的卻是s時刻的量測信息，V′_s是s時刻的觀測噪聲。

步驟七、計算量測數據延遲時間段內濾波的修正量。在s時刻，量測數據發生了滯后，此時系統自動記錄s時刻的觀測矩陣H′_s和觀測噪聲方差R′_s。則此系統在k時刻的濾波修正量為