一種抗gps失效的車載組合導(dǎo)航方法
【專利摘要】一種抗GPS(全球定位系統(tǒng))失效的車載組合導(dǎo)航方法，本發(fā)明涉及一種適用于車載低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)的抗GPS失效組合導(dǎo)航方法。該方法首先利用動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法估計(jì)不同類傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)時(shí)間延遲，依據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲校準(zhǔn)GPS、陀螺和速度傳感器三類傳感器的輸出數(shù)據(jù)；其次采用去野值新息正交滑窗平均濾波器剔除上述三類傳感器原始數(shù)據(jù)野值，降低數(shù)據(jù)離散度；第三，GPS有效狀態(tài)下實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù)并補(bǔ)償；第四，當(dāng)GPS失效發(fā)生時(shí)啟動(dòng)遞推算法給出位置和航向信息。本發(fā)明解決車載低成本陀螺和速度傳感器誤差漂移快的問題，顯著提高位置、航向精度。可用于任何包含GPS、陀螺、速度傳感器的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中。
【專利說明】一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于車載低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)的抗GPS (全球定位系統(tǒng))失效組合導(dǎo)航方法，從三方面消除陀螺誤差，解決了車載低成本陀螺誤差漂移快的問題，顯著提高GPS失效時(shí)陀螺和速度傳感器組合導(dǎo)航的位置和航向精度，提升車載低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS失效情況下的可用性。本發(fā)明可用于任何包含GPS、陀螺、速度傳感器的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中。
【背景技術(shù)】
[0002]為了提高行車效率、安全性和經(jīng)濟(jì)性，低成本車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)越來越普遍的安裝于各類車輛。GPS作為主導(dǎo)航設(shè)備在低成本車載導(dǎo)航系統(tǒng)中發(fā)揮了非常顯著的作用，但以無線電定位為主要技術(shù)特征的GPS經(jīng)常受到大氣衰減、信號(hào)傳輸遮擋、多徑干擾等諸多因素影響，定位可靠性和精度下降，甚至無法完成導(dǎo)航任務(wù)，因此研究抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法成為低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)用化的必經(jīng)之路。
[0003]以陀螺和加速度計(jì)(或者速度傳感器)為傳感器的慣性導(dǎo)航是GPS導(dǎo)航的有益補(bǔ)充，共同構(gòu)成車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)低成本、可普及的目標(biāo)，車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)一般采用成本很低的MEMS (微機(jī)電系統(tǒng))工藝陀螺測(cè)量車輛航向，采用速度傳感器或者M(jìn)EMS加速度計(jì)測(cè)量車輛運(yùn)動(dòng)速度?；竟ぷ髟硎峭ㄟ^航向和速度組合，推算GPS失效情況下的車輛位置。其推算原理基于兩維平面的積分運(yùn)算，測(cè)量誤差也隨時(shí)間同步積分，在沒有其他修正信息的情況下其推算精度必然隨時(shí)間不斷惡化。因此，抗GPS失效車載組合導(dǎo)航方法的核心是實(shí)時(shí)校正陀螺和速度傳感器的測(cè)量誤差，使位置推算精度在GPS失效一定時(shí)間內(nèi)仍然能夠滿足車輛導(dǎo)航的需求。
[0004]本發(fā)明首先利用動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法估計(jì)不同類傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)時(shí)間延遲，依據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲校準(zhǔn)GPS、陀螺和速度傳感器三類傳感器輸出數(shù)據(jù)；其次采用去野值新息正交滑窗平均濾波器剔除上述三類傳感器原始數(shù)據(jù)的野值，降低數(shù)據(jù)離散度，提高系統(tǒng)可靠性和精度；第三，GPS有效狀態(tài)下實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù)并補(bǔ)償其輸出；第四，當(dāng)GPS失效發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)遞推算法由陀螺和速度傳感器給出位置和航向信息。本發(fā)明從三方面消除陀螺和速度傳感器誤差，解決了車載低成本陀螺和速度傳感器誤差漂移快的問題，顯著提高GPS失效時(shí)陀螺和速度傳感器組合推算位置和航向的精度，提升車載低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS失效情況下的可用性。本發(fā)明可用于任何包含GPS、陀螺、速度傳感器的車載導(dǎo)航系統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于車載低成本組合導(dǎo)航系統(tǒng)的抗GPS失效組合導(dǎo)航方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法,其特征在于包括以下步驟:[0007](I)利用靜態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)陀螺零偏誤差:以陀螺零偏誤差為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程，利用最近的停駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、采用加權(quán)濾波技術(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺零偏誤差；
[0008](2)利用動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法估計(jì)GPS、陀螺、速度傳感器三類傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲，被估計(jì)的時(shí)間延遲源包括:各個(gè)采集系統(tǒng)時(shí)鐘不統(tǒng)一、信號(hào)處理速度差異、傳感器敏感機(jī)理導(dǎo)致的測(cè)量不同步等。依據(jù)相關(guān)函數(shù)的峰值計(jì)算相對(duì)時(shí)間延遲，并移位校準(zhǔn)GPS、陀螺和速度傳感器三類傳感器的輸出數(shù)據(jù)；
[0009](3)采用新息正交滑窗平均濾波器剔除(2)中三類傳感器原始數(shù)據(jù)野值:通過新息正交滑窗平均濾波器給出每個(gè)原始數(shù)據(jù)的濾波估計(jì)值和置信度，依據(jù)置信度剔除野值，并在剔除野值位置補(bǔ)充給出估計(jì)值，降低數(shù)據(jù)離散度，提高系統(tǒng)可靠性和精度；
[0010](4)實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù):在GPS有效時(shí)，實(shí)時(shí)在線計(jì)算GPS與陀螺/速度傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的航向、速度偏差，對(duì)差序列進(jìn)行卡爾曼濾波，估計(jì)陀螺和速度傳感器的動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)；
[0011](5)當(dāng)GPS失效時(shí)，利用擬合得到的誤差漂移規(guī)律校正陀螺和速度傳感器原始輸出，校正后的陀螺和速度傳感器輸出經(jīng)遞推算法給出車輛位置和航向信息。
[0012]本發(fā)明的原理是:車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS失效后采用陀螺和速度傳感器組合提供航向和速度，經(jīng)積分推算后給出車輛位置信息。但陀螺和速度傳感器的誤差隨時(shí)間同步積分，嚴(yán)重影響推算車輛位置的精度。陀螺和速度傳感器主要誤差源包括:陀螺零偏誤差、不同傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲、傳感器測(cè)量野值、陀螺動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)、直線段和曲線段陀螺動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)的差別。
[0013]本發(fā)明利用最近3分鐘的靜止?fàn)顟B(tài)陀螺數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)濾波估計(jì)陀螺零偏誤差，加權(quán)原則是越早獲得的陀螺數(shù)據(jù)加權(quán)值越小，越晚獲得的陀螺數(shù)據(jù)加權(quán)值越大。加權(quán)濾波不僅估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻陀螺零偏誤差，還進(jìn)一步擬合出陀螺零偏誤差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。在全程導(dǎo)航中實(shí)時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)處理，將最近3分鐘內(nèi)的GPS、陀螺、速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩類數(shù)據(jù)之間的卷積相關(guān)，由卷積相關(guān)輸出的極值確定最佳匹配點(diǎn)和相對(duì)時(shí)間延遲量。依據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲量進(jìn)行移位對(duì)齊GPS、陀螺和速度傳感器數(shù)據(jù)，為后續(xù)的誤差估計(jì)和校正做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。本發(fā)明提出新息正交滑窗平均濾波器剔除傳感器測(cè)量野值，采用新息正交判斷和滑窗平均濾波相結(jié)合的技術(shù)路線:新息正交判斷利用測(cè)量野值與正常測(cè)量值不正交的特點(diǎn)，通過判斷最新測(cè)量值(新息)隨機(jī)過程的正交性來判斷其中是否存在野值；滑窗平均濾波以當(dāng)前最新測(cè)量值為起點(diǎn)，對(duì)之前固定長度的最新測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平均，替代當(dāng)前最新測(cè)量值，達(dá)到降低噪聲的目的。在行駛當(dāng)中，濾波器以陀螺和速度傳感器動(dòng)態(tài)誤差為狀態(tài)變量，以GPS航向和速度為觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)卡爾曼濾波。陀螺和速度傳感器的動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)根據(jù)路況分為直線段誤差系數(shù)和轉(zhuǎn)彎段誤差系數(shù)，以提高誤差估計(jì)精度。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:通過加權(quán)方式更多采信最新靜止?fàn)顟B(tài)陀螺數(shù)據(jù)，提高陀螺零偏誤差估計(jì)精度，加權(quán)濾波不僅估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻陀螺零偏誤差，還進(jìn)一步擬和出陀螺零偏誤差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)；提出動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法估計(jì)各個(gè)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相對(duì)時(shí)間延遲，首次考慮時(shí)間延遲在實(shí)時(shí)導(dǎo)航中的影響；利用測(cè)量野值與正常測(cè)量值不正交的特點(diǎn)，通過判斷最新測(cè)量值(新息)隨機(jī)過程的正交性來判斷其中是否存在野值，降低數(shù)據(jù)離散度，提高系統(tǒng)可靠性和精度；全程實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺和速度傳感器動(dòng)態(tài)誤差，并在直線段和轉(zhuǎn)彎段采用不同的誤差系數(shù)以適應(yīng)不同的道路狀況，補(bǔ)償精度更高。本發(fā)明從陀螺零偏誤差、不同傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲、傳感器測(cè)量野值、陀螺動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)、直線段和曲線段陀螺動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)的差別幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，大大提升了低成本車載組合導(dǎo)航系統(tǒng)在GPS失效情況下的可用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的抗GPS失效車載組合導(dǎo)航方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]如圖1所示，本發(fā)明的具體方法如下:
[0017](I)利用靜態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)陀螺零偏誤差:以陀螺零偏誤差為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程，利用最近的停駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、采用加權(quán)濾波技術(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺零偏誤差。
[0018]當(dāng)速度V = 0，令陀螺測(cè)量航向角速度序列ω⑴進(jìn)行移位賦值，
[0019]ω (I) = ω ⑵
[0020]ω (2) = ω ⑶
[0021]ω (3) = ω (4)，其中ω為陀螺最新測(cè)量值。
[0022]......[0023]ω (η-1) = ω (η)
[0024]ω (η) = ω
[0025]經(jīng)加權(quán)濾波，得到陀螺零偏誤差b。
【權(quán)利要求】
1.一種抗GPS (全球定位系統(tǒng))失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于包括以下步驟: (1)利用靜態(tài)數(shù)據(jù)估計(jì)陀螺零偏誤差:以陀螺零偏誤差為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程，利用最近的停駛狀態(tài)數(shù)據(jù)、采用加權(quán)濾波技術(shù)實(shí)時(shí)估計(jì)陀螺零偏誤差； (2)利用動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法估計(jì)GPS、陀螺、速度傳感器三類傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲，被估計(jì)的時(shí)間延遲源包括:各個(gè)采集系統(tǒng)時(shí)鐘不統(tǒng)一、信號(hào)處理速度差異、傳感器敏感機(jī)理導(dǎo)致的測(cè)量不同步等。依據(jù)相關(guān)函數(shù)的峰值計(jì)算相對(duì)時(shí)間延遲，并移位校準(zhǔn)GPS、陀螺和速度傳感器三類傳感器的輸出數(shù)據(jù)； (3)采用新息正交滑窗平均濾波器剔除(2)中三類傳感器原始數(shù)據(jù)野值:通過新息正交滑窗平均濾波器給出每個(gè)原始數(shù)據(jù)的濾波估計(jì)值和置信度，依據(jù)置信度剔除野值，并在剔除野值位置補(bǔ)充給出估計(jì)值，降低數(shù)據(jù)離散度，提高系統(tǒng)可靠性和精度； (4)實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù):在GPS有效時(shí)，實(shí)時(shí)在線計(jì)算GPS與陀螺/速度傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)的航向、速度偏差，對(duì)差序列進(jìn)行卡爾曼濾波，估計(jì)陀螺和速度傳感器的動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)； (5)當(dāng)GPS失效時(shí)，利用擬合得到的誤差漂移規(guī)律校正陀螺和速度傳感器原始輸出，校正后的陀螺和速度傳感器輸出經(jīng)遞推算法給出車輛位置和航向信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:利用最近3分鐘的靜止?fàn)顟B(tài)陀螺數(shù)據(jù)經(jīng)過加權(quán)濾波估計(jì)陀螺零偏誤差，加權(quán)原則是:越早獲得的陀螺數(shù)據(jù)加權(quán)值越小，越晚獲得的陀螺數(shù)據(jù)加權(quán)值越大。
3.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述的加權(quán)濾波不僅估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻陀螺零偏誤差，還進(jìn)一步擬合出陀螺零偏誤差隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述的動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法是將最近3分鐘內(nèi)的GPS、陀螺、速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩類數(shù)據(jù)之間的卷積相關(guān)，由卷積相關(guān)輸出的極值確定最佳匹配點(diǎn)和相對(duì)時(shí)間延遲量。依據(jù)相對(duì)時(shí)間延遲量進(jìn)行移位對(duì)齊GPS、陀螺和速度傳感器數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述的動(dòng)態(tài)卷積相關(guān)法在全程導(dǎo)航中實(shí)時(shí)進(jìn)行，動(dòng)態(tài)更新GPS、陀螺、速度傳感器數(shù)據(jù)之間的相對(duì)時(shí)間延遲量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述的新息正交滑窗平均濾波器采用新息正交判斷和滑窗平均濾波相結(jié)合的技術(shù)路線。所述的新息正交判斷利用測(cè)量野值與正常測(cè)量值不正交的特點(diǎn)，通過判斷最新測(cè)量值(新息)隨機(jī)過程的正交性來判斷其中是否存在野值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的滑窗平均濾波以當(dāng)前最新測(cè)量值為起點(diǎn)，對(duì)之前固定長度的最新測(cè)量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平均，替代當(dāng)前最新測(cè)量值，達(dá)到降低噪聲的目的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù)的卡爾曼濾波器，以陀螺和速度傳感器動(dòng)態(tài)誤差為狀態(tài)變量，以GPS航向和速度為觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波估計(jì)誤差系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抗GPS失效的車載組合導(dǎo)航方法，其特征在于:所述的實(shí)時(shí)在線估計(jì)陀螺和速度傳感器誤差系數(shù)，根據(jù)路況分為直線段誤差系數(shù)和轉(zhuǎn)彎段誤差系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01C21/06GK103983997SQ201410193754
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】盛蔚, 孫丁圣, 裴東 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)