[发明专利]一种MIMU和GNSS信息融合的方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到导航系统领域，特指一种基于低成本、低精度MIMU的MIMU/GNSS信息融合的方法。

背景技术

众所周知，惯性导航系统以其独特的优点，在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用。例如，在微型飞行器、微型机器人等微小型设备等领域有着大量的应用，这也促使惯性导航系统向低成本、微型化、低功耗的方向发展。近几年来，由于MIMU/GNSS组合导航系统具有成本低、体积小、功耗低等优点，因而受到众多研究者的关注。MIMU(Micro-Electro-Mechanical-Systems based Inertial Measurement Unit)和GNSS(Global Navigation Satellite System)组合，构成MIMU/GNSS组合导航系统，两者之间可以克服各自缺点、取长补短，使二者性能得到互补。MIMU/GNSS组合导航系统以MIMU和GNSS输出的信息(如位置、速度、伪距或伪距率等)差值作为观测量，以MIMU线性化的误差方程作为系统方程，通过Kalman滤波器对MIMU的速度、位置、姿态角以及传感器的误差进行最优估计，并根据估计结果对MIMU进行输出或者反馈校正。

对于MIMU/GNSS信息融合的方法，现有技术中有许多研究人员进行了大量的理论研究，取得了很多的进展。目前，MIMU/GNSS组合导航信息融合方法主要采用单一滤波器对MIMU的位置、速度、姿态角以及传感器的误差进行最优估计。这种方法存在滤波器状态方程维数大、计算复杂等缺点。同时，由于MEMS惯性器件性能较差，且受温度影响大等特点，在组合导航滤波器设计时需要更多的考虑惯性器件误差影响，可能会造成滤波器发散。

目前，基于低成本、低精度MIMU的MIMU/GNSS信息融合方法均采用单一滤波器，由于器件误差耦合的影响，存在计算量大、精度不高、可用性较差等不足，难以满足航空制导设备、无人飞行器、机器人和地面车辆等日益迫切的高精度要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、处理速度快、精度高、容错性强、适用范围广的MIMU和GNSS信息融合的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种MIMU和GNSS信息融合的方法，包括以下步骤：

(1)基于MIMU角速度和比力数据，分别在ECEF坐标系和NED坐标系下进行惯性导航解算；将NED坐标系下惯性导航的姿态角直接赋给ECEF坐标系下的导航解算，并将GNSS接收机解算得到的位置、速度信息作为惯性导航解算初始状态的位置、速度；

(2)建立ECEF坐标系下的位置和速度误差方程，作为ECEF坐标系下的误差状态方程；建立NED坐标系下姿态角误差方程和速度误差方程，作为NED坐标系下的误差状态方程；

(3)利用GNSS伪距和伪距率值建立ECEF坐标系下信息融合的观测方程，利用GNSS北向速度和东向速度值建立NED坐标系下信息融合的观测方程；

(4)基于ECEF坐标系下的误差状态方程，采用卡尔曼滤波器进行位置误差、速度误差、加速度计偏置估计；基于NED坐标系下的误差状态方程，采用卡尔曼滤波器进行姿态角误差和陀螺零偏估计；

(5)对于ECEF坐标系下的惯性导航解算进行位置与速度信息的反馈校正，对于NED坐标系下的惯性导航解算进行姿态角与速度信息的反馈校正，根据估计陀螺零偏和加速度计偏置，分别对IMU输出的角速度和比力进行修正；

(6)由ECEF坐标系和NED坐标系下的惯性导航解算综合向用户输出载体的姿态角、位置、速度、角速度和加速度信息。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(2)中的ECEF坐标系下误差状态矢量为X^e＝[δR^e δV^e δa^b]^T，其中δR^e、δV^e分别为ECEF坐标系下的位置误差和速度误差矢量，δa^b为三个轴的加速度计零偏；NED坐标系下误差状态矢量Xⁿ＝[δVⁿ ε δω^b]₈，其中δVⁿ＝[δV_N δV_E]分别为北向、东向速度误差；ε为姿态角误差；δω^b为微陀螺偏差。