一种基于IMU的GNSS测波缺测补偿方法与流程

本发明属于海洋环境监测领域，特别涉及一种基于imu的gnss测波缺测补偿方法。

背景技术：

1、波浪作为海洋中的关键动态现象，在监测其变化并研究规律方面扮演着重要角色。对海上活动和减灾防灾工作而言，深入了解这一现象具有重要意义。近几十年来，随着人类对海洋的不断开发和卫星导航技术的飞速发展，不仅推动了海洋观测方法的研究，还促进了先进仪器设备的研制。

2、gnss测波浮标利用了全球导航卫星系统（gnss）获取浮标载体的三维空间位置、速度和时间信息，可以有效反演波浪要素。但是gnss测波浮标在某些场景下偶有gnss缺测现象发生（例如海水覆盖天线），影响了gnss获取浮标载体的三维速度的完整性。

3、惯性测量单元（imu）是一种集成了多个惯性传感器的设备，用于测量和记录物体的加速度和角速度，并且imu是自主的，不依赖于外部信号源，这使得它在一些gnss拒止环境中更为可靠，并且在短时间内可以提供高精度的位置和速度信息，可以有效地辅助gnss补全缺测期间的三维空间位置和速度信息。mems（微机电系统）imu的功耗和成本都较低，适合将mems imu与gnss结合进行波浪测量。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于imu的gnss测波缺测补偿方法，当出现gnss缺测时，imu可以将浮标的速度、位置等信息补偿到gnss速度、位置序列中，适用于海洋、河流、湖泊等场景，在gnss拒止条件下仍可正常工作，能够获得短期高精度的浮标速度补偿结果。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于imu的gnss测波缺测补偿方法，包括如下步骤：

4、步骤1，采用搭载gnss的载体构成海面波浪测量装置，将imu安装在载体装置舱内，实时采集当前载体相较于惯性系下的加速度和角加速度；

5、步骤2，将采集的imu数据解码转换成三轴速度增量和三轴角速度增量，并保存；

6、步骤3，检测gnss的速度时间序列是否连贯，当检测到gnss的观测数据出现缺测现象时，使用缺测前一gnss历元由gnss测得的速度和加速度，求解出缺测前一gnss历元的载体姿态；

7、步骤4，利用求得的载体姿态和imu采集的三轴速度增量和三轴角速度增量，从缺测前一gnss历元开始，对载体速度进行递推，得到在gnss缺测期间的速度序列，并将得到的速度序列补充到gnss所测量的速度序列中，完成对gnss缺测速度序列的补充；如果在下一个imu采样时刻能检测到gnss数据，则返回步骤1；如果在经过一个imu采样间隔后仍然检测不到gnss数据，则继续执行步骤5；

8、步骤5，使用imu采集的三轴速度增量和三轴角速度增量，从缺测前一gnss历元开始，对载体姿态进行递推，得到最新的载体姿态信息，然后返回步骤4。

9、上述方案中，步骤3中，缺测前一gnss历元从b系到n系的姿态矩阵表示为，b系为载体坐标系，n系为站心地平坐标系；

10、求解载体姿态的方程如式（1），（2），（3）所示：

11、   （1）；

12、（2）；

13、（3）；

14、其中，为航向角，为纵摇角，为横摇角，、、分别是北向、东向、垂向的速度分量，为提升加速度，具体表达式为，其中，是加速度沿速度法向量的分量，是重力加速度沿速度法向的分量；的构成如式（4）所示：

15、                              （4）；

16、通过gnss得到航向角、横摇角和纵摇角后，构建缺测前一gnss历元的姿态矩阵，缺测前一gnss历元的姿态矩阵表示如式（5）所示：

17、（5）。

18、上述方案中，步骤4中，gnss缺测期间的速度序列递推求解方程如式（6）所示：

19、（6）；

20、其中，为前一imu时刻的速度在n系下的投影，是当前imu时刻由imu获取的三维加速度经过公式（7）补偿后再通过当前imu时刻的姿态矩阵投影到n系得到的速度增量，代表哥氏加速度造成的速度增量在n系下的投影，的计算公式如式（8）所示：

21、<mi>δ</mi><msubsup><mi>v</mi><mi>f,k</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mi>=</mi><msubsup><mi>c</mi><mi>b(k)</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mi>*[δ</mi><msub><mi>v</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>*</mi><mi>δ</mi><msub><mi>θ</mi><mi>k</mi></msub><mi>×δ</mi><msub><mi>v</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>12</mn></mfrac><mi>*</mi><mi>(δ</mi><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>k</mi><mi>-</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>×δ</mi><msub><mi>v</mi><mi>k</mi></msub><mi>+δ</mi><msub><mi>v</mi><mrow><mi>k</mi><mi>-</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mi>×δ</mi><msub><mi>θ</mi><mi>k</mi></msub><mi>)]</mi> （7）；

22、<mi>δ</mi><msubsup><mi>v</mi><mi>f/cor,k</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mi>=[</mi><msubsup><mi>g</mi><mi>l,k</mi><mi>n</mi></msubsup><mi>-</mi><mi>(2</mi><mi>*</mi><msubsup><mi>ω</mi><mi>en</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>ie</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mi>)×</mi><msup><mi>v</mi><mrow><mi>n(k</mi><mi>-</mi><mi>1)</mi></mrow></msup><mi>]</mi><mi>*</mi><mi>δt</mi>        （8）；

23、其中，代表根据当前imu时刻imu所采集的三维加速度算得的速度增量，代表根据当前imu时刻imu所采集的三维角加速度算得的角速度增量，代表当前imu时刻由于载体运动造成的牵连角速度在n系下的投影；代表当前imu时刻地球自转角速度在n系下的投影；代表当地重力在n系下的投影；代表imu的采样间隔。

24、上述方案中，步骤5中，载体姿态矩阵的递推计算方程如式（9）所示：

25、                       （9）；

26、其中，代表前一imu时刻的姿态矩阵，代表前一imu时刻的n系到当前imu时刻的n系的姿态转换矩阵，其求解方程如式（10）所示：

27、                           （10）；

28、其中，代表3阶单位矩阵；代表角速度的等效旋转矢量，代表向量的反对称矩阵，的计算公式如下所示：

29、<msub><mi>ζ</mi><mi>k</mi></msub><mi>=[</mi><msubsup><mi>ω</mi><mi>en</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mo>+</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>ie</mi><mi>n(k)</mi></msubsup><mi>]</mi><mi>*</mi><mi>δt</mi>                     （11）；

30、代表当前imu时刻的牵连角速度在n系下的投影，代表当前imu时刻地球自转角速度在n系下的投影，代表imu的采样间隔；

31、代表当前imu时刻的b系到前一imu时刻的b系的姿态转换矩阵，其求解方程如式（12）所示：

32、                       （12）；

33、其中，，是当前imu时刻由imu获取的三维角加速度经过补偿改正后得到的等效矢量，代表根据当前imu时刻imu所采集的三维角加速度算得的角速度增量，代表根据前一imu时刻imu所采集的三维角加速度算得的角速度增量，代表向量的反对称矩阵。

34、上述方案中，所述载体包括漂流浮标、锚系浮标、船只、波浪滑翔器或无人船。

35、通过上述技术方案，本发明提供的一种基于imu的gnss测波缺测补偿方法具有如下有益效果：

36、本发明只需要在gnss波浪测量载体上额外搭载一个低成本、低功耗的mems imu，可以解决gnss波浪测量偶尔出现的gnss缺测现象，增加了gnss波浪测量的信息连贯性与系统稳定性；

37、本发明使用的imu是低成本的mems imu，具有低成本和低功耗的优势；本发明无需额外的储存卡储存imu信息，相较于组合导航算法降低了功耗与存储空间；

38、本发明的方法适合应用在gnss会发生缺测场景下的gnss波浪测量载体上，特别适合在gnss天线被海水覆盖或gnss信号拒止严重的场景。