GNSS/INS紧组合导航自适应卡尔曼滤波算法设计

作者:郑洪江; 刊名:电脑迷 上传者:张燕

【摘要】车载GNSS/INS导航系统采用低成本低精度的微机电捷联惯导模块,为保障车载复杂环境中,GNSS定位精度提高的要求,设计一种低时延的自适应卡尔曼滤波的超紧组合导航方法。通过实际实验验证了所提方法的可用性。实验结果表明,当GNSS信号失锁时,系统的位置精度仍能满足要求,能够有效减小组合导航系统中弱GNSS信号时的误差发散,是一种适用于车载低成本、高可靠性、中等精度的方案。

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网络天地 282 ◆郑洪江 (上海博泰悦臻电子设备制造有限公司 上海 200030) 摘 要:车载GNSS/INS导航系统采用低成本低精度的微机电捷联惯导模块,为保障车载复杂环境中,GNSS定位精度提高的要求,设计一种低时延的自适应卡尔曼滤波的超紧组合导航方法。通过实际实验验证了所提方法的可用性。实验结果表明,当GNSS信号失锁时,系统的位置精度仍能满足要求,能够有效减小组合导航系统中弱GNSS信号时的误差发散,是一种适用于车载低成本、高可靠性、中等精度的方案。 关键词:组合导航;惯性导航;自适应卡尔曼滤波 中图分类号:U491.6 1.引言 随着智能汽车的技术发展,车辆对 GNSS 定位精度的要求也越来越高,定位精度从“道路级”转变为“车道级”。车载运行环境复杂,GNSS 容易受到外界环境的影响,例如在城市高楼及立体高架等环境时,GNSS 信号受到遮挡,引起 GNSS 信号弱,导致无法定位情况发生。因此,仅靠 GNSS 定位导航无法满足智能汽车的要求[1,2]。组合导航是目前车载导航的发展趋势,将微机电惯性导航与 GNSS 导航融合起来,构成一体化组合导航是解决车载复杂环境定位导航的重要途径[3]。组合导航主要分为松组合、紧组合、深组合三类[4]。其中紧组合导航实时性高,定位精度高,特别适用于车载环境,成为目前车载组合导航的研究热点之一,紧组合导航基于 GNSS 的伪距及伪距变化率等信息与惯导 INS 信息融合,从而得到稳定可靠的连续定位精度。 2.实时车载 GNSS/INS 组合导航系统设计 GNSS/INS 紧组合导航系统处理过程:首先 GNSS 导航模块在基带处理后,可以得到 GNSS 的伪距和多普勒等数值。同时,INS 系统也同步解算出当前的 INS 位置、速度、姿态信息。卡尔曼滤波器将二者输出信息作为输入量进行信息融合解算,从而得到准确的位置、速度、姿态信息。在紧组合系统中,GNSS 和 INS 是双向传输互相辅助对方系统的,GNSS信号可以修正INS的输出信息,提高 INS 数据的准确度;同时,INS 信号也可以在 GNSS 系统的卫星星历的辅助下,计算组合接收机相对于 GNSS 卫星的伪距和伪距率辅助 GNSS 信号的接收和锁相的过程,从而提高 GNSS 系统的接收精度。 3.实时车载 GNSS/INS 组合滤波算法 在车载导航终端中,使用的计算处理单元一般为嵌入式系统处理器,其计算能力一般,其 GNSS 系统的采样率与 INS 的采样率相差数个数量级,INS 的速率远高于 GNSS 系统,因此为保障组合导航的实时性,可以将系统的处理过程进行排序,将组合导航系统处理中的机械编排步骤及预测步骤给定较高的优先级,同时将组合导航系统中的组合更新步骤也分解高优先级的任务。可以在 GNSS 进行采样同时组合更新也同步进行,并保存数据;组合更新完成后,将后续 GNSS 采样的数据用来修正当前时刻的 INS 误差,如此反复,从而有效提高组合更新解算的实时性。 3.1 状态方程 状态方程参数主要指 GNSS 与 INS 系统的误差参数,GNSS 系统中的位置误差、速度误差和姿态误差是系统误差状态模型中的 关键状态量。INS 系统中除位置、速度和姿态误差外,INS 估计零偏误差也是非常重要的参数[5]。 其中 GNSS 状态方程为: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) G G G G G t t t t W tX F X G  (1) ()G Wt表示系统状态的白噪声, () G tG 表示系统状态噪声, ()G tX 表示状态参数阵,

参考文献

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