本發(fā)明涉及一種基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法及組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近幾年，基于慣性測量單元的傾斜測量逐漸被推廣和應(yīng)用。通過gnss接收機(jī)內(nèi)置的慣性定向定位導(dǎo)航系統(tǒng)（ins），實(shí)時(shí)輸出gnss接收機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算對中桿傾斜狀態(tài)下的方向角、傾斜角和傾斜方向角，結(jié)合獲取的gnss接收機(jī)天線相位中心坐標(biāo)，可以計(jì)算出傾斜對中桿底部地面點(diǎn)的坐標(biāo)。

2、隨著高精度工程測量、高精度導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，傳感器估計(jì)系統(tǒng)的精度一致性和可靠性正在被越來越多的關(guān)注。在該行業(yè)中，gnss/ins組合導(dǎo)航算法、視覺vio算法、以及激光雷達(dá)lio算法作為頗具代表性的融合導(dǎo)航技術(shù)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，為了更進(jìn)一步提升系統(tǒng)的可靠性，將gnss、ins、視覺、激光雷達(dá)進(jìn)行緊組合，已逐漸成為主流趨勢?？茖W(xué)研究和工程應(yīng)用已經(jīng)證明，這類多傳感器緊組合系統(tǒng)可以在復(fù)雜環(huán)境下為系統(tǒng)提供魯棒的位姿估計(jì)輸出，以滿足更廣泛的應(yīng)用工況。

3、大失準(zhǔn)角下的航向初始對準(zhǔn)是保證gnss/ins組合導(dǎo)航估計(jì)器性能的重要因素。初始對準(zhǔn)指的是在初始狀態(tài)下估計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的航向角，一般而言，對于低成本imu器件，在僅使用單個(gè)gnss天線時(shí)只能使用動態(tài)對準(zhǔn)的方法進(jìn)行初始對準(zhǔn)，即利用gnss的動態(tài)位置和速度信息輔助ins進(jìn)行航向估計(jì)。

4、在復(fù)雜環(huán)境中，由于信號遮擋、干擾等問題的存在，gnss的定位解在一小段時(shí)間內(nèi)，尤其是剛開機(jī)初始化的時(shí)間段內(nèi)，穩(wěn)定性往往較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中組合導(dǎo)航系統(tǒng)gnss定位解穩(wěn)定性較差的缺陷，提供一種可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的gnss/ins快速初始對準(zhǔn)，在復(fù)雜、遮擋的環(huán)境中能夠提供可靠、精準(zhǔn)初始對準(zhǔn)結(jié)果的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法及組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

2、本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題：

3、一種基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

4、在初始化所涉及的動態(tài)窗口內(nèi)，按預(yù)設(shè)規(guī)則移動所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)；

5、獲取動態(tài)窗口內(nèi)相鄰歷元之間gnss速度解與加速度、角速度觀測值的關(guān)系式；

6、根據(jù)所述預(yù)設(shè)規(guī)則以及所述關(guān)系式獲取初始姿態(tài)參數(shù)的待估參數(shù)的粗略初值；

7、利用所述粗略初值構(gòu)造全局優(yōu)化問題，求解所述全局優(yōu)化問題獲取待估參數(shù)的精細(xì)初值，根據(jù)所述精細(xì)初值獲取所述初始姿態(tài)參數(shù)。

8、本申請的設(shè)計(jì)重點(diǎn)為：

9、1、基于航速優(yōu)化

10、傳統(tǒng)的初始對準(zhǔn)方法往往較強(qiáng)依賴于位置，而非速度，參見說明書附圖的圖1，解釋了速度和位置在初始化階段的差異，使用航速優(yōu)化，是本發(fā)明可以達(dá)到較高魯棒性的基礎(chǔ)。

11、參見圖1，在復(fù)雜環(huán)境中，由于信號遮擋、干擾等問題的存在，gnss的定位解在一小段時(shí)間內(nèi)，尤其是剛開機(jī)初始化的時(shí)間段內(nèi)，穩(wěn)定性往往較差。圖1的上半部分展示了gnssrtk初始化期間定位解的變化情況。

12、一般情況下，gnss算法在開始定位時(shí)采用spp定位模式，當(dāng)接收到差分信號以后開始rtk解算，定位解相應(yīng)地變?yōu)楦↑c(diǎn)解狀態(tài)，并在一小段時(shí)間的收斂后，達(dá)成固定解狀態(tài)，期間定位解會依次從較大隨機(jī)噪聲，變?yōu)檩^大范圍波動，而后又跳變?yōu)楦呔榷ㄎ唤狻?/p>

13、相比之下，多普勒定速解精度較高，并且解的誤差和幅值并不隨gnss定位狀態(tài)而發(fā)生明顯改變。

14、其在gnss定位算法初始化期間的變化如圖1下半部分所示，可見，由gnss的速度解所積分出的位置信息具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明將著眼于多普勒航速，使用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)初始對準(zhǔn)，以提供較高的初始對準(zhǔn)效果和可靠性。

15、2、從粗到細(xì)

16、基于航速和imu原始觀測值構(gòu)建動態(tài)窗口內(nèi)相鄰歷元之間不依賴于位置的離散微分方程，并以航向?yàn)槲ㄒ还烙?jì)參數(shù)對初值進(jìn)行粗估計(jì)。然后再構(gòu)建全局優(yōu)化問題獲取精細(xì)初值，從而獲取更準(zhǔn)確的初始姿態(tài)參數(shù)。

17、較佳地，所述預(yù)設(shè)規(guī)則包括在初始時(shí)刻保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，然后進(jìn)行一個(gè)窗口時(shí)間段的加速運(yùn)動，利用初始時(shí)刻的狀態(tài)獲取慣性測量單元的偏差參數(shù)，利用窗口時(shí)間段的加速運(yùn)動獲取組合導(dǎo)航系統(tǒng)的初始俯仰角和初始橫滾角。

18、較佳地，基于gnss速度解的所述關(guān)系式為：

19、，

20、其中，為世界坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到初始時(shí)刻載體坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，和為從初始時(shí)刻到和時(shí)刻的姿態(tài)變化，和根據(jù)角速度觀測值積分獲得，為世界坐標(biāo)系下載體在時(shí)刻的速度，為世界坐標(biāo)系下載體在時(shí)刻的速度，為傳感器測量的k時(shí)刻的載體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到i時(shí)刻的載體坐標(biāo)系的變化量，為傳感器測量的載體i時(shí)刻加速度，?為i到i+1的時(shí)間間隔，t為轉(zhuǎn)置符號。

21、較佳地，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

22、對所述關(guān)系式進(jìn)行線性化處理以獲取基于gnss速度解的方程式：

23、，

24、其中，包括所述待估參數(shù)，i單位矩陣，為角度變化量，為叉乘矩陣。

25、較佳地，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

26、獲取所述方程式相對于待估參數(shù)的雅可比矩陣：

27、；

28、通過迭代的方式對待估參數(shù)求解以獲取待估參數(shù)的粗略初值。

29、較佳地，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

30、建立所述動態(tài)窗口的全局優(yōu)化問題：

31、，

32、其中，為慣性測量單元的預(yù)積分誤差，為所述動態(tài)窗口的全部待估參數(shù)，表示魯棒核函數(shù)，邊緣化參量的魯棒核函數(shù)；

33、對所述全局優(yōu)化問題求解獲取所述初始姿態(tài)參數(shù)。

34、較佳地，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

35、利用所述初始姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)的航向初始對準(zhǔn)。

36、本發(fā)明還提供一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)如上所述的初始對準(zhǔn)方法。

37、本發(fā)明還提供一種gnss接收機(jī)，其特點(diǎn)在于，所述gnss接收機(jī)用于如上所述的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

38、在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。

39、本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：

40、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的gnss/ins快速初始對準(zhǔn)。參見說明書附圖2給出了在不同環(huán)境中使用本發(fā)明的算法相比于業(yè)內(nèi)常用的傳統(tǒng)初始對準(zhǔn)方法之間的性能對比，其中，左上、右上、左下、右下分別為開闊天空、林蔭小徑、單側(cè)樓宇遮擋、雙側(cè)樓宇遮擋環(huán)境。

41、可見，傳統(tǒng)方法在復(fù)雜環(huán)境中無法提供有效的初始對準(zhǔn)，而本發(fā)明的初始對準(zhǔn)方法可以在所有環(huán)境中提供可靠、精準(zhǔn)的初始對準(zhǔn)結(jié)果。

技術(shù)特征：

1.一種基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

2.如權(quán)利要求1所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)規(guī)則包括在初始時(shí)刻保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)，然后進(jìn)行一個(gè)窗口時(shí)間段的加速運(yùn)動，利用初始時(shí)刻的狀態(tài)獲取慣性測量單元的偏差參數(shù)，利用窗口時(shí)間段的加速運(yùn)動獲取組合導(dǎo)航系統(tǒng)的初始俯仰角和初始橫滾角。

3.如權(quán)利要求2所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，基于gnss速度解的所述關(guān)系式為：

4.如權(quán)利要求3所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

5.如權(quán)利要求4所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

6.如權(quán)利要求5所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

7.如權(quán)利要求1所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法，其特征在于，所述初始對準(zhǔn)方法包括：

8.一種組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)所述的基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法。

9.一種gnss接收機(jī)，其特征在于，所述gnss接收機(jī)用于如權(quán)利要求8所述的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于航速優(yōu)化的初始對準(zhǔn)方法及組合導(dǎo)航系統(tǒng)，所述初始對準(zhǔn)方法包括：在初始化所涉及的動態(tài)窗口內(nèi)，按預(yù)設(shè)規(guī)則移動所述組合導(dǎo)航系統(tǒng)；獲取動態(tài)窗口內(nèi)相鄰歷元之間GNSS速度解與加速度、角速度觀測值的關(guān)系式；根據(jù)所述預(yù)設(shè)規(guī)則以及所述關(guān)系式獲取初始姿態(tài)參數(shù)的待估參數(shù)的粗略初值；利用所述粗略初值構(gòu)造全局優(yōu)化問題，求解所述全局優(yōu)化問題獲取所述初始姿態(tài)參數(shù)。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的GNSS/INS快速初始對準(zhǔn)。在復(fù)雜、遮擋的環(huán)境中能夠提供可靠、精準(zhǔn)的初始對準(zhǔn)結(jié)果。

技術(shù)研發(fā)人員：池澄,黃策,溫小華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州天碩導(dǎo)航科技有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19