基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法技术

本发明专利技术提供了基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，包括以下步骤:步骤(1)：数据获取与同步；步骤(2)：载体动态识别；步骤(3)：水平角初始化；步骤(4)：航向估计算法解算；步骤(5)：航向估算收敛评价，本发明专利技术的方法可以实现多源组合导航定位设备的动态航向初始化，达到多源组合导航定位设备任意位置配置均能完成航向初始化的效果，降低多源组合导航定位设备的安装要求，提高多源组合导航设备的场景适应性和用户体验。

Vehicle Initial Heading Estimation Method Based on Transform Estimator Modeling Scheme

The invention provides a method for estimating the initial course of a carrier based on the transformation estimator modeling scheme, which includes the following steps: (1): data acquisition and synchronization; step (2): dynamic identification of the carrier; step (3): initialization of horizontal angle; step (4): calculation of course estimation algorithm; step (5): convergence evaluation of course estimation, and the method of the invention can realize multi-source integrated navigation and positioning equipment. Dynamic course initialization can achieve the effect of course initialization in any position configuration of multi-source integrated navigation and positioning equipment, reduce the installation requirements of multi-source integrated navigation and positioning equipment, and improve the scene adaptability and user experience of multi-source integrated navigation and positioning equipment.

【技术实现步骤摘要】
基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法
本专利技术涉及一种装备绝对测量传感器和惯性测量传感器的运载体初始航向动态估算方法，适用于利用绝对测量传感器和惯性测量传感器以及多源传感器组合导航算法进行导航定位的领域。
技术介绍
以惯性导航为主导航定位系统的多源传感器组合导航定位方法需要提供初始的导航定位信息，包括初始位置，初始速度和初始姿态，其中初始位置和初始速度一般可以通过绝对测量传感器给出，主要是要确认初始姿态，初始姿态包括俯仰角、横滚角和航向角，是惯性传感器坐标轴相对导航坐标系的旋转角度，初始姿态的确认方法主要分动态初始化和静态初始化两类：静态初始化方法以重力矢量和地球自转角速度作为参考基准，通过惯性传感器测量重力矢量和地球自转角速度以计算初始姿态，计算的方法主要有双矢量定姿算法和kalman滤波算法，但要实现静态初始化方法的前提条件是能够从惯性传感器的观测值中分辨出地球自转角速度分量，这对惯性传感器的性能提出了很高的要求，目前能够满足静态初始化要求的多是光学陀螺惯性传感器和转子陀螺惯性传感器，价格均非常昂贵，民用领域广泛使用的MEMS惯性传感器，价格低廉，但性能还无法满足静态初始化的要求；动态初始化方法是以外部观测量提供的航向观测信息完成初始姿态中的航向角初始化，或者通过非线性算法实现航向角初始化，俯仰角和横滚角的初始化可用通过惯性传感器给出，外部信息可以是导航系下的位移矢量，导航系下的速度矢量，双天线航向，磁力计航向等信息，但通过这些信息进行初始化都对惯性传感器的安装提出了要求，即惯性传感器的坐标轴系需要与外部信息对应的参考轴系平行，否则会带来安装误差，安装误差的大小直接影响外部航向信息的精度，若安装误差较大(>5°)，则会导致多源组合导航定位算法模型不满足线性化的假设，导致滤波器发散，非线性滤波算法可以避免因安装误差较大导致的模型非线性问题，但非线性滤波算法的计算量非常大，对CPU的处理能力是很大的挑战，且非线性滤波并不能完全解决安装误差带来的非线性问题，当外部信息给出的航向信息误差非常大时，非线性滤波仍有可能会失败。
技术实现思路
为了解决上述不足的缺陷，本专利技术提供了基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，本专利技术的方法可以实现多源组合导航定位设备的动态航向初始化，达到多源组合导航定位设备任意位置配置均能完成航向初始化的效果，降低多源组合导航定位设备的安装要求，提高多源组合导航设备的场景适应性和用户体验。本专利技术提供了基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，包括以下步骤:步骤(1)：数据获取与同步；步骤(2)：载体动态识别；步骤(3)：水平角初始化；步骤(4)：航向估计算法解算；步骤(5)：航向估算收敛评价。上述的方法，其中，所述步骤(1)中具体为：通过CPU同时获取惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据，并通过CPU的晶振信号对观测数据进行标记，从而实现了基于CPU晶振的数据同步。上述的方法，其中，所述步骤(2)中：通过惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据对运载体的动静运动状态进行判断识别，当载体进入到运动状态后再开始执行航向估计算法。上述的方法，其中，所述步骤(3)中：根据加速度的输出信息或者绝对测量传感器的观测信息对俯仰角和横滚角进行初始化。上述的方法，其中，所述步骤(4)中：根据变换估计量的建模方法建立航向估计算法模型，通过变换估计量将航向角的估计转化为两个三角函数的估计，通过kalman滤波器对航向进行估计解算。上述的方法，其中，所述步骤(5)中：kalman滤波器估算会逐渐收敛达到稳态，通过对滤波器的误差协方差矩阵进行监测，识别滤波器达到稳态后中断航向估计算法的解算，将此时估计的航向角作为多源组合导航定位设备导航定位解算的初始航向。上述的方法，其中，所述绝对测量传感器，用来测量运载的三维位置或三维速度信息，作为kalman滤波器的量测输入；所述惯性测量传感器用于测量惯性测量传感器三个正交方向的线速度和角速度，以进行惯性捷联解算解算和构建航向角估计模型。本专利技术提供了基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法具有以下有益效果：本专利技术实施了时间同步环节，利用CPU的晶振对绝对测量传感器和惯性测量传感器的观测数据进行了时间戳标记，惯性测量传感器测量的是线加速度和角速度，需要对观测量进行进行积分才能获取角度增量、速度增量和位移增量，采样间隔的精度直接影响积分解算的精度，尤其是运载体角速度和加速度变化剧烈的高动态情况，同时，对绝对测量传感器观测量进行标记，可以实现相对观测值和绝对观测值在时间序列上的对应，利用CPU晶振进行时间戳标记，其时间精度在微秒级，可以满足绝大多数的应用场景；本专利技术实施了动静态判断环节，因为有些绝对测量传感器需要运载体处于运动状态才能通过绝对测量值提供航向信息，比如提供位置的传感器需要有位移才能通过位移量计算运载体的行进方向，提供速度的传感器需要速度大于一定阈值才能通过速度分量计算运载体的行进方向；本专利技术实施了水平角初始化环节，相对航向初始化，水平角的初始化容易的多，通过惯性测量传感器在运载体静止或稳态时输出的加速度信息即可计算俯仰角和横滚角，且精度较高，完成水平角的初始化则在航向估计算法建模时即可忽略水平角误差的影响，降低模型的复杂度；本专利技术基于kalman滤波器和变换估计量的航向估计模型实现运载体的航向估计，通过对惯性测量传感器的测量值进行捷联解算解算来跟踪运载体的动态变化，通过kalman滤波器的量测更新过程和绝对测量传感器的测量结果对捷联解算的解算结果进行修正，从而实现任意安装配置的航向角动态估计；本专利技术对kalman滤波器的收敛状态进行了识别，当判断滤波器达到稳态后，说明航向角的估计已经收敛，可以中断航向角估计算法，将此时的航向角估计值作为多源组合导航算法的航向初始值。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本专利技术的主旨。图1为本专利技术的硬件系统构成图。图2为本专利技术的绝对传感器与惯性测量传感器数据同步原理图。图3为本专利技术的航向估计算法数据处理流程图。图4为本专利技术中提到的h系相对n系旋转角示意图。具体实施方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本专利技术更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本专利技术可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本专利技术发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了彻底理解本专利技术，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本专利技术的技术方案。本专利技术的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本专利技术还可以具有其他实施方式。参照图1-图4所示，本专利技术提供的基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，包括以下步骤:步骤(1)：数据获取与同步，具体为：通过CPU同时获取惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据，并通过CPU的晶振信号对观测数据进行标记，从而实现了基于CPU晶振的数据同步；步骤(2)：载体动态识别，具体为通过惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据对运载体的动静运动状态进行判断识别，当载体进入到运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤(1)：数据获取与同步；步骤(2)：载体动态识别；步骤(3)：水平角初始化；步骤(4)：航向估计算法解算；步骤(5)：航向估算收敛评价。

【技术特征摘要】
1.基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤(1)：数据获取与同步；步骤(2)：载体动态识别；步骤(3)：水平角初始化；步骤(4)：航向估计算法解算；步骤(5)：航向估算收敛评价。2.如权利要求1所述的基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，其特征在于，所述步骤(1)中具体为：通过CPU同时获取惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据，并通过CPU的晶振信号对观测数据进行标记，从而实现了基于CPU晶振的数据同步。3.如权利要求2所述的基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，其特征在于，所述步骤(2)中：通过惯性测量传感器和绝对测量传感器的观测数据对运载体的动静运动状态进行判断识别，当载体进入到运动状态后再开始执行航向估计算法。4.如权利要求3所述的基于变换估计量建模方案的载体初始航向估算方法，其特征在于，所述步骤(3)中：根据加速度的输出信息或者绝对测量传感器的观测信息对俯仰...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓海峰，袁本银，沈雪峰，谭羽安，唐尔辉，刘兴亮，洪庆辉，何晓丽，
申请(专利权)人：上海华测导航技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31