[发明专利]一种GNSS、INS、Vision组合导航系统完好性保护级计算方法

说明书

本发明适用于GNSS、INS、Vision组合导航数据处理技术领域，提供了一种GNSS、INS、Vision组合导航系统完好性保护级计算方法，包括如下步骤：步骤S100：建立GNSS、INS、Vision组合导航系统的误差状态模型和IMU的零偏模型；步骤S200：建立GNSS和视觉的系统观测模型，并分别计算相应的观测矩阵H；步骤S300：构建不同观测模型下的扩展卡尔曼方程；步骤S400：引入GNSS、INS和视觉故障偏差，并计算不同传感器故障模式下的保护级大小；本发明，推导出误差状态模型卡尔曼滤波情况下的组合导航系统保护级公式，进一步考虑到GNSS和视觉观测值的故障偏差在实际情况下是未知的，参照LSR算法经典保护级的取值方法，将其放大为最大特征斜率和最小可检测偏差的乘积，便可以得到不同故障模式下系统的保护级。

技术领域

本发明属于GNSS、INS、Vision组合导航数据处理技术领域，尤其涉及一种GNSS、INS、Vision组合导航系统完好性保护级计算方法。

背景技术

随着自动驾驶、机器人和无人机等技术的兴起，城市等复杂GNSS(GlobalNavigation Satellite System)环境下的高精度定位定姿需求不断增长。GNSS/INS(InertialNavigation System)组合导航能够提供连续、可靠和完备的高精度导航参数，是应用最广的组合导航技术之一。然而，在GNSS复杂环境下，基于低成本MEMS-IMU(Micro-Electro Mechanical-Systems Inertial Measurement Unit)的GNSS/INS组合导航在GNSS信号中断期间导航误差将迅速积累，这无疑降低了系统的可用性。基于相机的视觉导航具有精度高、自主无源等优点，视觉/INS组合可极大降低INS导航误差。但是，视觉/INS组合无法提供全球框架下的导航信息且误差会随距离累积。因此，将GNSS、INS和视觉进行信息融合可实现优势互补，获得更优的导航性能。

然而多源组合导航系统的优秀性能是建立在系统的复杂性之上，而系统的复杂性势必增加系统故障发生的概率。因此，系统的完好性监测对于组合导航系统的可靠性至关重要。系统的完好性主要包括两个部分：保护级和故障检测。目前针对多源组合导航系统的故障检测主要是针对当前信息的“快照法”和基于历史信息的“连续法”，理论相对成熟，而GNSS、INS、Vision组合导航系统的保护级计算却缺乏具体的理论推导，尤其是基于误差状态模型的扩展卡尔曼滤波下GNSS/INS松组合和Vision/INS紧组合系统。

发明内容

本发明提供一种GNSS、INS、Vision组合导航系统完好性保护级计算方法，旨在解决目前针对多源组合导航系统的故障检测主要是针对当前信息的“快照法”和基于历史信息的“连续法”，理论相对成熟，而多源组合导航系统的保护级计算却缺乏具体的理论推导问题。

本发明是这样实现的，一种GNSS、INS、Vision组合导航系统完好性保护级计算方法，包括如下步骤：

步骤S100：建立GNSS、INS、Vision组合导航系统的误差状态模型和IMU的零偏模型；

步骤S200：建立GNSS和视觉的系统观测模型，并分别计算相应的观测矩阵H；

步骤S300：构建不同观测模型下的扩展卡尔曼方程；

步骤S400：引入GNSS、INS和视觉故障偏差，并计算不同传感器故障模式下的保护级大小。

优选的，所述步骤S100中，将位置、速度以及姿态变量的误差量作为组合导航系统的状态量，把IMU的零偏建模为一阶马尔可夫模型。

优选的，所述步骤S200中，GNSS、INS、Vision组合导航系统可分为两个子系统，分别为GNSS/INS的松组合导航系统和Vision/INS紧组合导航系统。