[發明專利]基于GPS與氣壓計融合數據的高度濾波方法有效

申請號：	201810192751.6	申請日：	2018-03-09
公開（公告）號：	CN108416387B	公開（公告）日：	2020-06-19
發明（設計）人：	胡少興;李曉東;田博顯;肖深	申請（專利權）人：	北京航空航天大學
主分類號：	G06K9/62	分類號：	G06K9/62;G06F17/16;G01C21/16
代理公司：	北京科迪生專利代理有限責任公司 11251	代理人：	楊學明;賈玉忠
地址：	100191***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	基于 gps 氣壓計融合數據高度濾波方法
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【說明書】：

本發明提供了一種基于GPS與氣壓計融合數據的高度濾波方法，該方法首先對GPS可用衛星數量及三維位置精度因子分析，構建判斷融合后的觀測高度中GPS與氣壓計高度模型，然后將其作為慣性導航高度濾波觀測量，使用互補濾波對導航系下的高度進行濾波。本方法通過分析慣性導航、GPS導航及氣壓計特性，能夠結合各自優點，使系統能夠應用于更為復雜的工作環境。將GPS測量高度與氣壓高度數據進行融合，在進行高度校正的同時得到較為精確的速度與位置。同時解決了單一傳感器信號較弱或數據較差時對濾波效果產生的不利影響。

技術領域

本發明主要涉及慣性導航以及傳感器數據融合技術領域，屬于慣性導航，GPS導航及多傳感器信息融合等技術領域，具體涉及一種基于GPS與氣壓計融合數據的高度濾波方法。

背景技術

慣性導航輸出頻率高，能夠實時輸出載體運動狀態，且不需要外部信息攝入，不受天氣影響，但是由于慣性傳感器的數據漂移，使得解算得到的姿態、速度與位置發散特別快。GPS能夠全天候工作，為載體提供較為準確的時間，位置，速度等信息，同樣不受天氣影響，但是其必須工作在空曠無遮擋物的室外，在室內無法實現定位，在有高大遮擋物的室外由于信號遮擋使得定位信息不準。氣壓計通過測量大氣壓強解算高度，但是其受天氣影響較為嚴重，大風環境影響周圍氣壓，使得根據壓強解算得到的高度出現誤差或是漂移。此三種導航系統，各有優缺點，通過信息融合，能夠結合各導航系統的優點。

慣性導航解算得到的高度是發散的，采用GPS與氣壓計對高度進行觀測來抑制高度漂移，同時得到較為精確的速度與位置。

發明內容

為解決高度計算時，單個傳感器觀測高度無法適應復雜工作環境的弊端，本發明提出一種融合GPS與氣壓計高度作為觀測量的高度濾波方法。使用互補濾波將融合后的高度對慣導系統高度進行濾波，本發明能夠得到較為精確的高度、速度與加速度，解決了單一傳感器信號較弱或數據較差時對濾波效果產生的不利影響。

本發明采用的技術方案為：基于GPS與氣壓計融合數據的高度濾波方法，包括如下步驟：

(1)一階龍格-庫塔解算四元數：

其中q₀(t),q₁(t),q₂(t),q₃(t)為t時刻的四元數，q₀(t+T),q₁(t+T),q₂(t+T),q₃(t+T)為t+T時刻的四元數。w_x(t)，w_y(t)，w_z(t)分別為機體坐標系下x,y,z軸的角速度值，亦即陀螺儀的輸出。T為姿態解算周期。

(2)解算出四元數后，計算旋轉矩陣：

同時可得到由導航系到載體坐標系的旋轉矩陣：

Cnb＝(Cbn)^T (6)

其中Cbn為載體坐標系到導航坐標系的旋轉矩陣，Cnb為導航坐標系到載體坐標系的旋轉矩陣，q₀,q₁,q₂,q₃為式(1)-(4)中解算得到的四元數。

(3)將加速度數據轉換至導航坐標系下：

其中Cbn為式(6)的旋轉矩陣，為載體坐標系下的加速度值，亦即加速度計輸出值，為導航系下的加速度值。