专利名称：低成本组合导航系统的数据融合方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性导航领域，尤其涉及一种低成本组合导航系统的数据融合方法和
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背景技术：
低成本组合导航系统通常由MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)器件构成，其位置和速度精度由GPS (Global Positioning System,全球定位系统) 接收机保证，航向和姿态由MIMU(Miniature Inertial Measurement Unit,微惯性测量单元)提供。目前，GPS接收机通用芯片基本能保证位置10m、速度0. lm/s的精度，满足低成本导航需求。航向和姿态对于车载导航系统、小型无人机的飞行控制系统等低成本组合导航系统是重要的参数。而MMU的精度低、易发散的特性导致姿态和航向的估计成为低成本组合导航系统急需解决的难题。由于低成本组合导航系统中的MEMS陀螺的精度较低，无法敏感到地球自转角速度，导致低成本组合导航系统的捷联惯导解算初始对准时的航向无估计精度，姿态解算时航向误差不断累积，通过捷联惯导解算得到的低成本组合导航系统的航向和姿态数据在动态情况下精度不高。
发明内容本发明的实施例提供了一种低成本组合导航系统的数据融合方法和装置，以实现载体运动过程中的最优航向估计，满足低成本组合导航系统中航向、姿态的工程应用需求。一种低成本组合导航系统的数据融合方法，包括根据组合导航系统中的微惯性测量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向V1、根据组合导航系统中的磁阻传感器的输出数据解算得到载体的航向Ψπ、根据组合导航系统中的卫星接收机的输出数据解算得到载体的航向;根据设置的载体航向最优化估计性能指标，将所述Ψι、1^和按照一定的权重进行叠加，得到所述载体航向的最优估计值。一种低成本组合导航系统中的数据融合装置，包括载体MEMS惯性器件航向计算模块，用于根据组合导航系统中的微惯性测量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向V1、根据组合导航系统中的磁阻传感器的输出数据解算得到载体的航向vm、根据组合导航系统中的卫星接收机的输出数据解算得到载体的航向Ve;载体最终航向计算模块，用于根据设置的载体的航向最优化估计性能指标，将所述Ψι、！^和Ψ(;按照一定的权重进行叠加，得到所述载体的航向最优估计值。由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在估计方差最小的最优性能指标约束下，能根据载体的动态特性自动调节估计系数，给出载体运动过程中的最优航向估计，具有较强的自适应能力、鲁棒性好，方便工程实际应用。
图I为本发明实施例一提供的一种低成本组合导航系统的结构图；图2为本发明实施例一提供的一种低成本组合导航系统的数据融合方法的原理示意图；图3为本发明实施例一提供的一种低成本组合导航系统的数据融合方法的具体处理流程图；图4为本发明实施例一提供的一种捷联惯导解算的原理示意图；图5为本发明实施例一提供的一种载体的航向最优估计的处理流程图；图6为本发明实施例一提供的一种低成本组合导航系统中的数据融合装置的具体结构图。
具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，以对本发明实施例进行清楚、完整地描述人员。实施例一为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，以对本发明实施对脉冲信号进行甄别的方法和装置例进行清楚、完整地描述人员。实施例一本发明实施例提供的低成本组合导航系统的结构如图I所示，主要由MIMU、MEMS 磁阻传感器、单天线卫星接收机和导航计算机等构成。导航计算机完成多传感器的数据采集、信号处理、捷联惯导解算、数据融合(包括航向最优估计和组合Kalman滤波)等处理。 上述卫星接收机可以为GPS卫星接收机或者北斗导航系统的卫星接收机。基于上述低成本组合导航系统，该实施例提供的一种低成本组合导航系统的数据融合方法的原理示意图如图2所示，具体处理流程如图3所示，包括如下的处理步骤步骤31、导航计算机对MIMU、MEMS磁阻传感器的输出信号进行滤波处理。导航计算机接收MMU、MEMS磁阻传感器、单天线GPS卫星接收机的输出信号，完成数据采集。上述MMU、MEMS磁阻传感器等MEMS器件的精度低、输出噪声大，为了降低MEMS 器件误差对低成本组合导航系统导航精度的影响，导航计算机需要对上述MIMU、MEMS磁阻传感器的输出信号进行实时滤波，通过设计合理的数字滤波器，可以达到去除噪声、平滑信号的目的。步骤32、导航计算机根据MIMU的陀螺和加速度计信号进行捷联惯导解算，求得载体的航向、速度、位置、姿态。捷联惯导解算前需要初始对准，即求得载体的初始姿态，初始对准代表了惯性导航的最高精度。对于自主导航系统通常采用MMU的输出进行自对准，自对准的姿态误差如下
权利要求
1.一种低成本组合导航系统的数据融合方法，其特征在于，包括根据组合导航系统中的微惯性测量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向V1、根据组合导航系统中的磁阻传感器的输出数据解算得到载体的航向ψπ、根据组合导航系统中的卫星接收机的输出数据解算得到载体的航向Ve ;根据设置的载体的航向最优化估计性能指标，将所述Vp Vm和按照一定的权重进行叠加，得到所述载体航向的最优估计值。
2.根据权利要求I所述的低成本组合导航系统的数据融合方法，其特征在于所述的根据组合导航系统中的微惯性测量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向V1，包括在捷联惯导系统中，姿态是以载体系到导航系的方向余弦矩阵q表示的。方向余弦阵 c:是由下式微分方程解算得到的 c; = CnA式中，Ω6 δ是载体系相对导航系的角速度<6的斜对称矩阵由下式得到
3.根据权利要求I或2所述的低成本组合导航系统的数据融合方法，其特征在于，所述的根据设置的载体航向最优化估计性能指标，将所述Vp Vm和按照一定的权重进行叠加，得到所述载体航向的最优估计值，包括获取所述Vp Vm和的估计误差，设定载体的航向最优估计性能指标为航向的估计误差的方差最小；所述载体航向的最优估计值Ψ的计算方法如下Ψ =其中，Hk3为加权系数。在矣+k2+k3= \(K [均约束条件下，求得满足所述载体的航向最优估计性能指标的加权系数 KG^k2, k3)。
4.根据权利要求3所述的低成本组合导航系统的数据融合方法，其特征在于，所述的获取所述Vp Vm和的估计误差，设定载体的航向最优估计性能指标为航向的估计误差的方差最小，包括计算出所述V1的估计误差S V1为
5.根据权利要求1所述的低成本组合导航系统的数据融合方法，其特征在于，所述的 方法还包括组合导航系统中的导航计算机采集所述微惯性测量单元、磁阻传感器、卫星接收机的 输出信号，并对采集的数据进行滤波处理；所述导航计算机根据所述微惯性测量单元的陀螺和加速度计信号进行捷联惯导解算， 求得载体的航向、速度、位置、姿态；通过卡曼Kalman组合滤波过程计算得到的修正值，对所述捷联惯导解算得到的载体 的速度、位置和姿态进行修正，得到载体的速度、位置和姿态的最优估计值。
6.一种低成本组合导航系统中的数据融合装置，其特征在于，包括载体微机电系统MEMS惯性器件航向计算模块，用于根据组合导航系统中的微惯性测 量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向根据组合导航系统中的磁阻传 感器的输出数据解算得到载体的航向根据组合导航系统中的卫星接收机的输出数据 解算得到载体的航向载体最终航向计算模块，用于根据设置的载体的航向最优化估计性能指标，将所述 Vl、和V(；按照一定的权重进行叠加，得到所述载体的航向最优估计值。
7.根据权利要求6所述的低成本组合导航系统的数据融合装置，其特征在于所述的载体微机电系统MEMS惯性器件航向计算模块，还用于在捷联惯导系统中，姿态 是以载体系到导航系的方向余弦矩阵表示的，方向余弦阵是由下式微分方程解算得到 的
8.根据权利要求6或7所述的低成本组合导航系统的数据融合装置，其特征在于所述的载体最终航向计算模块，还用于获取所述Ψρ的估计误差，设定载体的航向最优估计性能指标为航向的估计误差的方差最小；所述载体的航向的最优估计值Ψ的计算方法如下Ψ =其中，Hk3为加权系数；在矣+k2+k3= \(K [均约束条件下，求得满足所述载体的航向最优估计性能指标的加权系数 KQ^k2, k3)。
9.根据权利要求8所述的低成本组合导航系统的数据融合装置，其特征在于所述的载体最终航向计算模块，还用于计算出所述V1的估计误差S化为
10.根据权利要求6所述的低成本组合导航系统的数据融合装置，其特征在于，所述的装置还包括载体速度、位置和姿态计算模块，用于采集所述微惯性测量单元、磁阻传感器、卫星接收机的输出信号，并对采集的数据进行滤波处理；根据所述微惯性测量单元的陀螺和加速度计信号进行捷联惯导解算，求得载体的航向、速度、位置、姿态；通过卡曼Kalman组合滤波过程计算得到的修正值，对所述捷联惯导解算得到的载体的速度、位置和姿态进行修正，得到载体的速度、位置和姿态的最优估计值。
全文摘要
本发明涉及一种低成本组合导航系统的数据融合方法和装置。该方法主要包括根据组合导航系统中的微惯性测量单元的输出数据进行捷联惯导解算得到载体的航向ψI、根据组合导航系统中的磁阻传感器的输出数据解算得到载体的航向ψm、根据组合导航系统中的卫星接收机的输出数据解算得到载体的航向ψG；根据设置的载体航向最优化估计性能指标，将所述ψI、ψm和ψG按照一定的权重进行叠加，得到所述载体航向的最优估计值。本发明实施例在估计方差最小的最优性能指标约束下，能根据载体的动态特性自动调节估计系数，给出载体运动过程中的最优航向估计，具有较强的自适应能力、鲁棒性好，方便工程实际应用。
文档编号G01C21/20GK102589552SQ201210017858
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者吴光跃, 岳冬雪, 戴绍忠 申请人:北京华力创通科技股份有限公司