專利名稱：使用mems加速度計(jì)的gnss pvt質(zhì)量快速自檢方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量 快速自檢方法，通過(guò)對(duì)GNSS和MEMS加速度計(jì)所得加速度的模求差，并與預(yù)先設(shè)定的加速度 范圍比較，對(duì)GNSS定位結(jié)果進(jìn)行判斷和辨識(shí)，進(jìn)而剔除定位粗差，實(shí)現(xiàn)PVT質(zhì)量的快速自 檢。所述MEMS是指微型機(jī)電系統(tǒng)，所述MEMS加速度計(jì)是指基于MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)， 所述GNSS指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所述GNSS PVT是指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定位解算得到 的位置、速度和時(shí)間等定位信息。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)MEMS (Micro Electronic Mechanical System)是隨著半導(dǎo)體集成電 路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，集微型傳感器、執(zhí)行器、信號(hào) 處理與控制電路、接口電路、通信和電源一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS IMU是基于MEMS技術(shù) 的慣性測(cè)量單元，它集成了硅微加速度計(jì)和硅微陀螺儀這兩種慣性傳感器，用于測(cè)量運(yùn)動(dòng) 載體的線加速度和旋轉(zhuǎn)角速度。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，MEMS慣性傳感器既繼承了傳 統(tǒng)慣性傳感器的完全自主性、保密性強(qiáng)、不存在信號(hào)的電磁干擾等特點(diǎn)，又具有尺寸小、重 量輕、成本低、功耗小、可靠性高、動(dòng)態(tài)范圍寬和便于安裝調(diào)試等傳統(tǒng)慣性傳感器無(wú)法比擬 的優(yōu)點(diǎn)。由其構(gòu)成的MEMS測(cè)量單元逐步取代傳統(tǒng)的慣性傳感器，構(gòu)建微型、成本低的組合 導(dǎo)航系統(tǒng)已成為導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS (Global Navigation Satellite System)能為全球用戶 提供全天候、連續(xù)實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間基準(zhǔn)，具有誤差不隨時(shí)間累積 的優(yōu)點(diǎn)。但其導(dǎo)航信息更新速率低，且易受外部源的干擾而導(dǎo)致定位信號(hào)的中斷。慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)INSdnertial Navigation System)，則是利用安裝在載體上的慣性測(cè)量裝置(如加速 度計(jì)和陀螺儀等)測(cè)量載體的運(yùn)動(dòng)，輸出載體的姿態(tài)和位置信息，INS系統(tǒng)完全自主，保密 性強(qiáng)，并且機(jī)動(dòng)靈活，但是存在誤差隨時(shí)間迅速積累的問(wèn)題。利用MEMS INS和GNSS這二者 較強(qiáng)的非相似性和互補(bǔ)性，將MEMS INS與GNSS組合使用，則可充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)、 取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)建精度高、可靠性好的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，完成較高精度的遠(yuǎn)程、長(zhǎng)期導(dǎo)航任務(wù)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能依賴于GNSS的信號(hào)質(zhì)量。但是由于GNSS信號(hào)易受衛(wèi)星分 布、環(huán)境遮擋、多路徑、干擾信號(hào)等影響，導(dǎo)致PVT結(jié)果發(fā)生跳變而出現(xiàn)粗差，使其定位數(shù)據(jù) 可靠性和可用性下降。當(dāng)粗差作為外部觀測(cè)量引入到組合濾波系統(tǒng)中，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn) 生很大的影響，也會(huì)使濾波系統(tǒng)發(fā)散，影響導(dǎo)航數(shù)據(jù)的定位結(jié)果。因此，為了保證組合導(dǎo)航 結(jié)果不受上述問(wèn)題影響，有必要在組合濾波之前進(jìn)行GNSS PVT質(zhì)量的檢測(cè)，以剔除觀測(cè)量 粗差。傳統(tǒng)的粗差檢測(cè)方法是利用GNSS濾波器中的協(xié)方差陣元素的統(tǒng)計(jì)特性，通過(guò)統(tǒng) 計(jì)決策來(lái)判別是否出現(xiàn)了粗差，并在GNSS/INS組合卡爾曼濾波器中，通過(guò)加權(quán)GNSS觀測(cè)噪 聲的方法對(duì)粗差點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行濾波修正。但是常規(guī)的卡爾曼濾波結(jié)果會(huì)隨著粗差的變化而發(fā) 生跳變，隨后引起振蕩。另一種基于卡爾曼濾波的自適應(yīng)粗差剔除方法是利用濾波器觀測(cè)
4信息進(jìn)行增益矩陣的自適應(yīng)控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)粗差的判斷并剔除，避免了振蕩，保 證輸出平滑。但是以上所述的粗差剔除方法都需要利用GNSS估計(jì)誤差以及組合導(dǎo)航系統(tǒng) 殘差序列的統(tǒng)計(jì)特性，過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大，具有一定的局限性，而且無(wú)法避免濾波器的發(fā) 散問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，提供一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需考慮GNSS濾波器協(xié)方差的統(tǒng)計(jì) 特性，計(jì)算量小，簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以抑制粗差對(duì)GNSS定位造成的不利影響。所述 MEMS指微型機(jī)電系統(tǒng)，所述MEMS加速度計(jì)是指基于MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)，所述GNSS 指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所述GNSS PVT是指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定位解算得到的位置、速 度和時(shí)間等定位信息。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征在于，根據(jù)當(dāng)前時(shí) 刻和前一時(shí)刻對(duì)由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模和由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的前一 時(shí)刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值；將所述模 差值與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔 除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾 波，無(wú)需考慮GNSS濾波器協(xié)方差的統(tǒng)計(jì)特性；所述MEMS指微型機(jī)電系統(tǒng)，所述MEMS加速度 計(jì)是指基于MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)，所述GNSS指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所述GNSS PVT是 指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定位解算得到的位置、速度和時(shí)間的定位信息；所述MEMS INS指 基于MEMS技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它集成了硅微加速度計(jì)和硅微陀螺儀這兩種慣性傳感器。所述MEMS INS由三個(gè)相互正交的MEMS加速度計(jì)和三個(gè)相互正交的MEMS陀螺儀 構(gòu)成，分別用于測(cè)量載體的線加速度和角速度。所述由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模是GNSS總加速度的模，算法如下設(shè) GNSS當(dāng)前時(shí)刻Tk與前一時(shí)刻Tk_i輸出的三個(gè)方向e，n, u(東北天)的速度值為別為V^^, i(k)和V.^Gc-l)，其中i = e，n，u，則計(jì)算前一時(shí)刻Tk_i三個(gè)方向的加速度值為
r ,"1、VGNSS ,人1<^) — VGNSS j(Jc — V) a■，,(眾-1) =-----，I = e,n,u；
Lk ~Lk-\那么由GNSS推導(dǎo)得出的總加速度的模為aGNSS(k-l) = ^](a2GNSS e(k-l) + a2GNSS n(k-l) + a2GNSS u(k -1))；所述由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的前一時(shí)刻加速度的模的方法如下使用MEMS加速 度計(jì)，測(cè)得在前一時(shí)刻Th三個(gè)正交方向(x，y，z)輸出的比力值分別為fIMU,x(k_l)，fIB, y (k-1)，fIMU, z (k-1)，則前一時(shí)刻ThMEMS加速度計(jì)輸出的總比力的模為fMU (k-\) = H (k-l) + flUy {k-\) + 介陶(k -1))；那么由MEMS加速度計(jì)測(cè)量出的總加速度的模a IMU由下式進(jìn)行計(jì)算aIffiI(k-l) = fIMU(k-l)_g;其中，g 為重力加速度。所述GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值即為GNSS和MEMS總加速度的模差值，由下式進(jìn)行計(jì)算6 a = a IMU(k-l)_a GNSS(k_l)。對(duì)所述GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值即總加速度的模差值在
當(dāng)前時(shí)刻Tk與前一時(shí)刻Tk_i之間積分計(jì)算 n厶v= j Sa-dT
n-,得到當(dāng)前速度的動(dòng)態(tài)誤差；將當(dāng)前速度的動(dòng)態(tài)誤差與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)統(tǒng) 計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出 此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾波。所述預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍包括GNSS/MEMS INS組合系 統(tǒng)噪聲矩陣中各元素的動(dòng)態(tài)范圍。采用6 o統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)所述加速度模的差值與GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)噪聲矩陣中 各元素的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需考慮各種濾波誤差的統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算量小， 簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以快速剔除粗差，抑制粗差對(duì)濾波造成的影響，完成組合系統(tǒng)中PVT 的質(zhì)量自檢。


圖1為使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征在于，根據(jù)當(dāng)前時(shí) 刻和前一時(shí)刻對(duì)由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模和由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的前一 時(shí)刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值；將所述模 差值與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔 除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾 波，無(wú)需考慮GNSS濾波器協(xié)方差的統(tǒng)計(jì)特性；所述MEMS指微型機(jī)電系統(tǒng)，所述MEMS加速度 計(jì)是指基于MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)，所述GNSS指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所述GNSS PVT是 指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定位解算得到的位置、速度和時(shí)間的定位信息；所述MEMS INS指 基于MEMS技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它集成了硅微加速度計(jì)和硅微陀螺儀這兩種慣性傳感器。MEMS INS的慣性測(cè)量單元由三個(gè)相互正交的MEMS加速度計(jì)和三個(gè)相互正交的 MEMS陀螺儀構(gòu)成，分別用于測(cè)量載體的線加速度和角速度。參見(jiàn)圖1，使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法的流程，包括以下步 驟使用MEMS加速度計(jì)測(cè)量得到某一時(shí)刻加速度的模；根據(jù)GNSS PVT解算輸出的速度值， 計(jì)算某一時(shí)刻加速度的模；對(duì)由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的總加速度的模和由GNSS PVT計(jì)算 得出的總加速度的模求差，然后對(duì)所得差值進(jìn)行積分，得到GNSS PVT定位結(jié)果的速度動(dòng)態(tài) 誤差；將上述積分得出的動(dòng)態(tài)誤差值與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出此范圍，則剔除此時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留此時(shí)刻的PVT值參與 組合濾波。若Tk為當(dāng)前時(shí)刻，使用MEMS加速度計(jì)，測(cè)得在前一時(shí)刻三個(gè)正交方向(x，y, z)的比力值分別為fIMU,x(k-l)，fIMU,y(k-l)，fIMU,z(k-l)，得到前一時(shí)刻MEMS加速度計(jì)輸出 的總比力的模為fMU(k-l) = H(k-\) + f!MU、y0-1) + f:,(k -1))；那么由MEMS估計(jì)出的總加速度的模a ■可由下式進(jìn)行計(jì)算aIMU(k-l) = fIMU(k-l)_g ；其中，g 為重力加速度。設(shè)GNSS經(jīng)過(guò)PVT解算，得到當(dāng)前Tk時(shí)刻與前一時(shí)刻Th輸出的三個(gè)方向e，n，u (東 北天)的速度值為別為V^^iGO和V.Jk-l)，其中i = e，n，u，則計(jì)算前一時(shí)刻三個(gè)方 向的加速度值為
r ,"1、^GNSS，il^) — VQNSS，丨(J( — V) .aGNSSi(k-\) =-''-，i = e,n,u那么由GNSS推導(dǎo)得出的總加速度的模為aGNSS (眾 _ I) 二 V {a2GNSSe (k-l) + a2GNSStn (k-\) + a2GNSS^u (k -1))由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的總加速度的模和GNSS計(jì)算得出的總加速度的模求差，6 a = a IMU(k-l)_a GNSS(k_l)從而，速度動(dòng)態(tài)誤差為
ndv= | Sa-dT o在GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中，系統(tǒng)噪聲矩陣反應(yīng)了組合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)定其 中各元素的動(dòng)態(tài)范圍(即速度隨機(jī)游走)，采用6o統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)上述加速度模的差值與該動(dòng) 態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出該范圍，則剔除此時(shí)刻的PVT值，否則將保留此時(shí)刻的PVT值，并參 與組合濾波。應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明 創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造已進(jìn)行 了詳細(xì)的說(shuō)明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同 替換；而一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均涵蓋在本發(fā)明創(chuàng) 造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征在于，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻對(duì)由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模和由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的前一時(shí)刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值；將所述模差值與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾波，無(wú)需考慮GNSS濾波器協(xié)方差的統(tǒng)計(jì)特性；所述MEMS指微型機(jī)電系統(tǒng)，所述MEMS加速度計(jì)是指基于MEMS技術(shù)制造的加速度計(jì)，所述GNSS指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，所述GNSS PVT是指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)過(guò)定位解算得到的位置、速度和時(shí)間的定位信息；所述MEMS INS指基于MEMS技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它集成了硅微加速度計(jì)和硅微陀螺儀這兩種慣性傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征 在于，所述MEMS INS由三個(gè)相互正交的MEMS加速度計(jì)和三個(gè)相互正交的MEMS陀螺儀構(gòu)成， 分別用于測(cè)量載體的線加速度和角速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特 征在于，所述由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模是GNSS總加速度的模，算法如下設(shè) GNSS當(dāng)前時(shí)刻Tk與前一時(shí)刻Tlri輸出的三個(gè)方向e，η, u(東北天)的速度值為別為VeNSS, i(k)和V^^Jk-l)，其中i = e，n，u，則計(jì)算前一時(shí)刻Tlri三個(gè)方向的加速度值為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征 在于，所述GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值即為GNSS和MEMS總加速度 的模差值，由下式進(jìn)行計(jì)算
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征 在于，對(duì)所述GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值即總加速度的模差值在當(dāng) 前時(shí)刻Tk與前一時(shí)刻Tlri之間積分計(jì)算 得到當(dāng)前速度的動(dòng)態(tài)誤差；將當(dāng)前速度的動(dòng)態(tài)誤差與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)特 性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾波。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征 在于，所述預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍包括GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng) 噪聲矩陣中各元素的動(dòng)態(tài)范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用MEMS加速度計(jì)的GNSSPVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征 在于，采用6 σ統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)所述加速度模的差值與GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)噪聲矩陣中各 元素的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較。
全文摘要
一種使用MEMS加速度計(jì)的GNSS PVT質(zhì)量快速自檢方法，其特征在于，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻對(duì)由GNSS推算得出的前一時(shí)刻加速度的模和由MEMS加速度計(jì)測(cè)量到的前一時(shí)刻加速度的模求差，得到GNSS/MEMS INS組合系統(tǒng)中兩者的加速度的模差值；將所述模差值與預(yù)先設(shè)定的組合系統(tǒng)加速度統(tǒng)計(jì)特性的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行比較，若超出動(dòng)態(tài)范圍，則剔除GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值，若未超出此范圍，保留GNSS在當(dāng)前時(shí)刻的PVT值參與組合濾波。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法其優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算量小，簡(jiǎn)單易行，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以快速剔除粗差，抑制粗差對(duì)GNSS定位造成的不利影響，完成組合系統(tǒng)中PVT的質(zhì)量自檢。
文檔編號(hào)G01C21/20GK101949702SQ20101023980
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
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