GNSS辅助的MINS自动校准系统和方法技术方案

本发明专利技术一种GNSS辅助的MINS自动校准系统以GNSS的速度、位置信息作为辅助，结合MEMS惯导系统的速度、位置信息和姿态角信息，使用自动校准的方法，估算出安装误差角和加速度计误差予以消除，减小了MEMS惯导系统的角度误差，提高了MEMS惯导系统的速度精度和位置精度。本发明专利技术中的自动校准系统和方法，对载体运动过程中的条件没有严格的限制，计算复杂度低，容易实现。实现。实现。

【技术实现步骤摘要】
GNSS辅助的MINS自动校准系统和方法


[0001]本专利技术涉及惯性
，具体涉及组合导航中的MEMS惯性导航系统的校 准技术。

技术介绍

[0002]MEMS惯导系统(MINS)成本低廉、抗干扰性强、短时间内的精度较高、数 据更新频率高，但是其误差随时间增加会发散。卫星定位系统(GNSS)长时间内 的速度和位置精度较高，但是数据更新频率低且容易受干扰，尤其在高楼之间、 隧道内、地下停车场等地方会丢失信号。为了取长补短，将MEMS惯导系统与卫 星定位系统形成组合导航系统，进行数据融合，用卫星定位系统的信息去修正 MEMS惯导系统中的误差。
[0003]MEMS组合导航系统在车辆等应用场合会存在安装误差角影响惯导系统的解 算精度；MEMS惯导系统的加速度计误差会直接影响其解算的速度和位置精度。
[0004]因此需要寻找一种校准方法，在载体运动过程中，综合利用GNSS和MINS 的信息，估算出安装误差角和MEMS惯导系统的加速度计误差，并将这两项误差 予以消除。

技术实现思路

[0005]本专利技术利用GNSS的速度和位置信息作为辅助，结合MEMS惯导系统的输出， 提供了一种自动校准方法，估算出安装误差角和MEMS惯导系统的加速度计误差， 并将这两项误差予以消除。
[0006]本专利技术以GNSS的速度、位置信息作为辅助，结合MEMS惯导系统的速度、位 置信息和姿态角信息，使用自动校准的方法，估算出安装误差角和加速度计误差 予以消除，减小了MEMS惯导系统的角度误差，提高了MEMS惯导系统的速度精度 和位置精度。本专利技术中的自动校准系统和方法，对载体运动过程中的条件没有严 格的限制，计算复杂度低，容易实现。
附图说明
[0007]图1 GNSS辅助的MINS自动校准过程(GNSS辅助的MINS自动校准系统及流程)
[0008]实施方式
[0009]本专利技术利用了GNSS信号质量良好时候的速度和位置信息作为基准，结合 MEMS惯导系统的姿态角信息和监测时间内的速度和位置信息，每次符合条件时 进行自动校准两个阶段的数据预处理，然后计算得到一组校准参数。当校准参数 的存储列表存满时，使用加权平均的方法计算出安装误差角和加速度计误差。 参考图1，示出一种GNSS辅助的MINS自动校准系统和方法。该系统包括GNSS 和MINS数据采集模块(1)、自动校准第一阶段数据预处理模块(2)、自动校准 第二阶段数据预处理模块(3)、安装误差角和加速度计误差计算模块(4)、安装 误差角和加速度计误差加权模块(5)。其中，GNSS和MINS数据采集模块(1) 用于对GNSS和MINS输出的数据进行采集，自动校准第一阶段数据预处理模块(2) 用于对第一阶段数据进行自动校准预处理，自动校准第二阶段数据预处理模块(3) 对第二阶段数据
进行自动校准预处理，安装误差角和加速度计误差计算模块(4) 用于计算安装误差角和加速度计误差并存入存储列表，安装误差角和加速度计误 差加权模块(5)用于计算存储列表加权平均的安装误差角和加速度计误差，并 将加权平均计算出来的安装误差角和加速度计误差返回MEMS惯导系统进行误差 消除。具体执行过程如下：
[0010]1.GNSS和MINS的数据采集
[0011]设GNSS的数据采样周期为T0，MEMS惯导系统的数据采样周期为T。采集当 前时刻GNSS的东向速度V
E
、北向速度V
N
和东向位置D
E
、北向位置D
N
。采集当前 时刻MEMS惯导系统输出的东向速度V
mE
、北向速度V
mN
和东向位置D
mE
、北向位 置D
mN
，获取当前时刻MEMS惯导系统姿态角对应的方向余弦矩阵C
nb
。C
nb
是本
公知的3*3矩阵。
[0012]2.自动校准第一阶段数据预处理
[0013]设定自动校准的速度判断门限V
th
＝5.0m/s，自动校准的监测时间为 T
c
＝N
c
T0(N
c
是正整数，监测时间大于等于10s)。Nc是监测时间Tc内的采样 个数。
[0014]当GNSS的定位精度因子PDOP<5.0时，认为GNSS信号质量良好。当GNSS 信号质量良好时，GNSS当前时刻的水平速度：
[0015][0016]当V>V
th
时，自动校准计数器FC从零开始计时，进入自动校准第一阶段的 处理过程。
[0017]自动校准计数器FC等于零时，记录保存GNSS的起始速度V
E1
、V
N1
和起始位 置D
E1
、D
N1
，记录保存MEMS惯导系统的起始速度V
mE1
、V
mN1
和起始位置D
mE1
、 D
mN1
。
[0018]每采样一次GNSS数据，自动校准计数器FC增加1，当FC等于N
c
时，记录 保存GNSS的结束速度V
E2
、V
N2
和结束位置D
E2
、D
N2
，记录保存MEMS惯导系统的 结束速度V
mE2
、V
mN2
和结束位置D
mE2
、D
mN2
。
[0019]计算并保存自动校准第一阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向 加速度：
[0020][0021][0022][0023][0024]自动校准第一阶段数据预处理结束。
[0025]3.自动校准第二阶段数据预处理
[0026]自动校准第一阶段数据预处理过程结束后，当GNSS的定位精度因子 PDOP<5.0时，认为GNSS信号质量良好，当前时刻的水平速度：
[0027][0028]当V>V
th
时，自动校准计数器FC从零开始计时，进入自动校准第二阶段的 处理过程。
[0029]自动校准计数器FC等于零时，记录保存GNSS的起始速度V
E3
、V
N3
和起始位 置D
E3
、D
N3
，记录保存MEMS惯导系统的起始速度V
mE3
、V
mN3
和起始位置D
mE3
、 D
mN3
。
[0030]每采样一次GNSS数据，自动校准计数器FC增加1，当FC等于N
c
时，记录 保存GNSS的结束速度V
E4
、V
N4
和结束位置D
E4
、D
N4
，记录保存MEM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GNSS辅助的MINS自动校准系统，该系统包括GNSS和MINS数据采集模块(1)、自动校准第一阶段数据预处理模块(2)、自动校准第二阶段数据预处理模块(3)、安装误差角和加速度计误差计算模块(4)、安装误差角和加速度计误差加权模块(5)，其中，GNSS和MINS数据采集模块(1)用于对GNSS和MINS输出的数据进行采集，自动校准第一阶段数据预处理模块(2)用于对第一阶段数据进行自动校准预处理，自动校准第二阶段数据预处理模块(3)对第二阶段数据进行自动校准预处理，安装误差角和加速度计误差计算模块(4)用于计算安装误差角和加速度计误差并存入存储列表，安装误差角和加速度计误差加权模块(5)用于计算存储列表加权平均的安装误差角和加速度计误差，并将加权平均计算出来的安装误差角和加速度计误差返回MEMS惯导系统进行误差消除。2.一种如权利要求1所述的GNSS辅助的MINS自动校准系统，其中GNSS和MINS数据采集模块(1)用于对GNSS和MINS输出的数据进行采集，具体包括：设GNSS的数据采样周期为T0，MEMS惯导系统的数据采样周期为T，采集当前时刻GNSS的东向速度V
E
、北向速度V
N
和东向位置D
E
、北向位置D
N
，采集当前时刻MEMS惯导系统输出的东向速度V
mE
、北向速度V
mN
和东向位置D
mE
、北向位置D
mN
，获取当前时刻MEMS惯导系统姿态角对应的方向余弦矩阵C
nb
。3.一种如权利要求2所述的GNSS辅助的MINS自动校准系统，其中自动校准第一阶段数据预处理模块(2)用于对第一阶段数据进行自动校准预处理，具体包括：设定自动校准的速度判断门限V
th
＝5.0m/s，自动校准的监测时间为T
c
＝N
c
T0，Nc是监测时间Tc内的采样个数；当GNSS的定位精度因子PDOP<5.0时，认为GNSS信号质量良好，当GNSS信号质量良好时，GNSS当前时刻的水平速度：当V>V
th
时，自动校准计数器FC从零开始计时，进入自动校准第一阶段的处理过程；自动校准计数器FC等于零时，记录保存GNSS的起始速度V
E1
、V
N1
和起始位置D
E1
、D
N1
，记录保存MEMS惯导系统的起始速度V
mE1
、V
mN1
和起始位置D
mE1
、D
mN1
；每采样一次GNSS数据，自动校准计数器FC增加1，当FC等于N
c
时，记录保存GNSS的结束速度V
E2
、V
N2
和结束位置D
E2
、D
N2
，记录保存MEMS惯导系统的结束速度V
mE2
、V
mN2
和结束位置D
mE2
、D
mN2
；计算并保存自动校准第一阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第一阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第一阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第一阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：
自动校准第一阶段数据预处理结束。4.一种如权利要求3所述的GNSS辅助的MINS自动校准系统，其中自动校准第二阶段数据预处理模块(3)用于对第二阶段数据进行自动校准预处理，具体包括：自动校准第一阶段数据预处理过程结束后，当GNSS的定位精度因子PDOP<5.0时，认为GNSS信号质量良好，当前时刻的水平速度：当V>V
th
时，自动校准计数器FC从零开始计时，进入自动校准第二阶段的处理过程；自动校准计数器FC等于零时，记录保存GNSS的起始速度V
E3
、V
N3
和起始位置D
E3
、D
N3
，记录保存MEMS惯导系统的起始速度V
mE3
、V
mN3
和起始位置D
mE3
、D
mN3
；每采样一次GNSS数据，自动校准计数器FC增加1，当FC等于N
c
时，记录保存GNSS的结束速度V
E4
、V
N4
和结束位置D
E4
、D
N4
，记录保存MEMS惯导系统的结束速度V
mE4
、V
mN4
和结束位置D
mE4
、D
mN4
；计算并保存自动校准第二阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第二阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第二阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：计算并保存自动校准第二阶段GNSS和MEMS惯导系统导航坐标系东向、北向加速度：自动校准第二阶段数据预处理结束。5.一种如权利要求4所述的GNSS辅助的MINS自动校准系统，其中安装误差角和加速度计误差计算模块(4)，具体包括：根据自动校准第一阶段数据预处理和自动校准第二阶段数据预处理得到的加速度，可以计算得到本次校准的安装误差角和MEMS惯导系统的加速度计误差。加速度向量：Y
a
＝[f
E1 f
N1 f
E2 f
N2
]
T
因子矩阵：计算得到向量X
a
＝(φ
T
φ)
‑1φ
T
Y
a
＝[X
a
(1) X
a
(2) X
a
(3) X
a
(4)]
T
，T表示矩阵的转置，根据当前的Ya和φ就可以计算得到[X
a
(1) X
a
(2) X
a
(3) X
a
(4)]
T
。于是本次自动校准得到的安装误差角：
本次自动校准得到导航坐标系内的东向、北向加速度误差：f
E0
＝X
a
ꢀꢀꢀ
(1)f
N0
＝X
a
ꢀꢀꢀ
(2)已知MEMS惯导系统姿态角对应的方向余弦矩阵C
nb
，计算得到MEMS惯导系统X轴、Y轴的加速度计误差：f
bx0
＝C
nb
(1，1)
·
f
E0
+C
nb
(1，2)
·
f
N0
f
by0
＝C
nb
(2，1)
·
f
E0
+C
nb
(2，2)
·
f
N0
式中C
nb
(i,j)(i＝1,2；j＝1,2)表示方向余弦矩阵C
nb
第i行第j列的元素数值；将本次自动校准得到的安装误差角ψ0和加速度计误差f
bx0
、f
by0
存入存储列表。6.一种如权利要求5所述的GNSS辅助的MINS自动校准系统，其中安装误差角和加速度计误差加权模块(5)用于计算存储列表加权平均的安装误差角和加速度计误差，并将加权平均计算出来的安装误差角和加速度计误差返回MEMS惯导系统进行误差消除，具体包括：重复上述具体过程的步骤1至步骤4，共计算得到N组安装误差角和加速度计误差数据，并存入存储列表。设安装误差角存储列表ψ0[i](i＝1,2,
…
,N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张原，戴绍忠，
申请(专利权)人：北京原子机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：