[發明專利]一種基于自適應擴展卡爾曼濾波的AHRS算法

有效

• 申請號: 201611114895.7
• 申請日: 2016-12-07
• 公開（公告）號: CN106500693B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 王青江;智奇楠;劉鵬飛
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/20
• 代理公司: 河北東尚律師事務所 13124
• 代理人: 王文慶

本發明涉及導航定姿領域，尤其涉及姿態航向參考系統AHRS(attitude and heading reference system)中通過采用自適應卡爾曼濾波，解決不同動態下卡爾曼濾波觀測噪聲矩陣的確定問題，以及通過擴展卡爾曼濾波解決高動態場景下由于傳統卡爾曼濾波線性化引入的誤差，從而提高低成本AHRS的姿態測量精度。

技術領域

本發明涉及導航定姿領域，尤其涉及姿態航向參考系統AHRS(Attitude andHeading Reference System)中通過采用自適應卡爾曼濾波，解決不同動態下卡爾曼濾波觀測噪聲矩陣的確定問題，以及通過擴展卡爾曼濾波解決高動態場景下由于傳統卡爾曼濾波線性化引入的誤差，從而提高低成本AHRS的姿態測量精度。

背景技術

現代戰爭形勢復雜多變，以位置、速度、姿態為核心信息的導航定位系統已經成為加快戰爭進程，決定戰爭勝負的關鍵因素。在現代導航系統中，GNSS(Global NavigationSatellite System)以其全球、全天候、高精度的優勢成為目前應用最廣泛的導航手段。INS(Inertial Navigation System)通過敏感載體的線性加速度信息以及角速度信息來提供載體的橫滾、俯仰以及航向信息。GNSS和INS具有良好的互補性，兩者的組合能夠提供相較于單一系統更精確、可靠的導航定位結果。但是GNSS信號容易被干擾甚至被欺騙，除此之外如果信號長時間被遮擋，那么由慣導單獨維持提供的導航信息也將隨時間發散。例如在動中通領域，車輛裝載的天線需要連續準確地指向衛星，當車輛通過較長的隧道時，由于山體對GNSS的遮擋，在GNSS/INS系統中由慣導單獨維持的導航信息會隨時間發散，當車輛駛離隧道時，天線定姿系統需要一定的收斂時間，無法滿足天線快速定向的需求。

AHRS技術利用磁強計、加速度計以及陀螺儀通過測量地磁場、載體的線性加速度以及載體的角速度來提供載體的姿態信息。AHRS技術因為其不需要依賴于外部信息，具有較高的可靠性，因此已經廣泛應用于航空航天領域、海洋探測領域、人體運動測量等應用領域。在航空航天領域中AHRS被廣泛用于無人飛行器或者無人直升機的控制、穩定以及導航；在海洋探測領域中AHRS技術被廣泛應用于遠程操作車和水下自動設備的控制和穩定，穩定單元主要用于聲波定位、回聲等測量設備，也用于水下勘測和繪圖；在人體測量領域，AHRS技術被廣泛應用于真人全身運動姿態數據的采集，應用于體育、人體工程等。隨著微機電加工技術的發展，MEMS(Micro-Electrical-Mechanical System)傳感器得到了前所未有的發展，MEMS傳感器以其價格低廉、重量輕、體積小以及功耗低等優勢廣泛地應用于AHRS系統中。

在AHRS技術中，通常通過卡爾曼濾波對磁強計、加速度計以及陀螺儀的數據進行融合。卡爾曼濾波的解算過程分為預測和更新兩個過程，其中預測過程對狀態量以及方差矩陣Q進行預測，在更新過程中，根據量測噪聲R以及量測數據對觀測量以及方差矩陣進行更新。在AHRS系統中，陀螺儀解算的姿態信息作為卡爾曼濾波的預測輸入，而磁強計和加速度計的輸出用來對陀螺儀計算的姿態信息進行更新。由陀螺儀測得的載體的角運動用來預測載體的橫滾、俯仰以及航向信息，而加速度計和磁強計用來更新修正由陀螺預測得到的載體的姿態信息。