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1、(10)申请公布号 CN 102506858 A (43)申请公布日 2012.06.20 CN 102506858 A *CN102506858A* (21)申请号 201110322668.4 (22)申请日 2011.10.21 G01C 21/18(2006.01) G01C 25/00(2006.01) G01S 19/47(2010.01) (71)申请人 北京泰豪联星技术有限公司 地址 100083 北京市海淀区王庄路 1 号清华 同方科技广场 B 座 908 室 (72)发明人 不公告发明人 (74)专利代理机构 北京海虹嘉诚知识产权代理 有限公司 11129 代理人 吴小灿 。
2、(54) 发明名称 卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识 别方法 (57) 摘要 本发明提出一种卫星导航系统辅助的惯性传 感器轴向快速识别方法， 所述惯性传感器包括相 互正交一组的加速度计和相互正交一组陀螺仪， 将所述惯性传感器安装于载体上时， 使惯性传感 器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向 轴平行， 通过卫星导航系统输出的水平合速度以 及加速度计输出的比力值， 本方法会自动快速识 别出惯性传感器的正确轴向 ； 简化了惯性传感器 在载体上的安装方式， 大大提高了组合导航系统 的安装方式的简便性和易操作性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (1。
3、9)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 所述惯性传感器包括相 互正交的一组加速度计和相互正交的一组陀螺仪， 其特征在于， 将所述惯性传感器安装于 载体上时， 使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行， 通过卫星 导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值， 即可判断出惯性传感器的正确轴 向 ； 所述惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、 纵轴、 竖轴分别与载体的右向轴、 前向轴、 天向轴相一致。 2. 根据权利要求 1 所述的卫。
4、星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述惯性传感器为六自由度的惯性传感器， 包括三个相互正交的陀螺仪和三个相互 正交的加速度计， 利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体静止或运动 ； 载体静止时， 找出三个轴向加速度计输出的绝对值最大的比力值并判断其是否与重力加速度值相当， 判 断出与载体天向轴一致的竖轴 ； 载体由静止开始做加速运动时， 通过比较由另外两轴加速 度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴 ； 最后， 通过右 手定则确定与载体右向轴一致的横轴， 即完成惯性传感器正确轴向的识别。 3. 根据权利要求 2 所述的卫星导航系统辅助的惯。
5、性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述卫星导航系统输出的水平合速度是指VBD_E和 VBD_N分 别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值 ； 当 Vgroundspeed Vzeropeed， 判定此时载体 静止 ； 当 Vgroundspeed Vzeropeed， 则判定载体由静止开始做加速运动， 其中 Vzeropeed为门限值， 由 经验值确定。 4. 根据权利要求 3 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述载体静止时， 若加速度计输出的绝对值最大的比力值为正值， 且绝对值与重力加 速度值相当， 则判断出比力输出值最大的轴向即为与载体。
6、天向轴一致的竖轴 ； 若加速度计 输出的绝对值最大的比力值为负值， 且绝对值与重力加速度值相当， 则判断出比力输出值 最大的轴向的反向为与载体天向轴一致的竖轴。 5. 根据权利要求 4 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述载体由静止开始做加速运动时， 比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积分 求得的速度值， 速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求 得的速度值为正值， 则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为负 值， 则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。 6. 根据权利要求 5 所述的卫星导航系统。
7、辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为 ： 其中， X 、 Y 、 Z 表示正确轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， X、 Y、 Z 表示原始安装轴向的横轴、 纵 轴、 竖轴， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i 为变换系数， 取值为 0 或 +1 或 -1 ； 所述惯性传感器的原始 安装轴向是指当所述惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行时， 惯性传感器安装在载体上时横轴、 纵轴、 竖轴的原始指向。 7. 根据权利要求 1 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 权。
8、 利 要 求 书 CN 102506858 A 2 2/2 页 3 在于， 所述惯性传感器为四自由度的惯性传感器， 包括轴向分别与载体右向轴和前向轴平 行的两个陀螺仪和两个加速度计， 利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否开始 运动 ； 当载体由静止开始做加速运动时， 通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积分 求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴 ； 再通过右手定则判定与载体右向轴一致的 横轴， 即完成惯性传感器正确轴向的识别。 8. 根据权利要求 7 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述载体由静止开始做加速运动时， 比较另外两轴加速度计比力输。
9、出值对时间积分 求得的速度值， 速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求 得的速度值为正值， 则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为负 值， 则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。 9. 根据权利要求 8 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特征 在于， 所述卫星导航系统输出的水平合速度是指VBD_E和 VBD_N分 别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值 ； 当 Vgroundspeed Vzerospeed， 则判定载体由 静止开始做加速运动， 其中 Vzerospeed为门限值， 由经验值确定。 10.。
10、 根据权利要求 9 所述的卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 其特 征在于， 所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为 ： X aX+bY， Y cX+dY 其中， X 、 Y 表示正确轴向的横轴、 纵轴， X、 Y 表示原始安装轴向的横轴、 纵轴， a、 b、 c、 d 为变换系数， 取值为 0 或 +1 或 -1。 权 利 要 求 书 CN 102506858 A 3 1/5 页 4 卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法 技术领域 0001 本发明涉及卫星导航技术领域， 特别是涉及卫星导航系统和惯性导航系统相结合 的组合导航系统中， 一种卫星导。
11、航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法 ； 所述惯性传 感器包括加速度计和陀螺仪， 所述卫星导航系统包括美国的 GPS 系统， 俄罗斯 GLONASS 系 统， 中国的北斗系统， 欧洲的 GALILEO 系统， 以及以后可能出现的新的卫星导航系统。 背景技术 0002 全球卫星导航系统能为全球用户提供全天候、 连续实时、 高精度的三维位置与三 维速度信息， 具有误差不随时间累积等优点， 但也具有自主性差， 容易受到干扰， 接收机数 据更新频率低等缺点， 难以满足实时导航的要求。惯性导航系统 (INS) 由惯性传感器组成， 包括陀螺仪及加速度计， 通常由三轴陀螺仪及三轴加速度计组成六自由度的惯性。
12、导航系 统， 具有完全自主式、 保密性强、 不存在信号的电磁干扰、 全天候、 机动灵活、 数据率高的特 性， 此外还可以输出载体的姿态信息。 将惯性导航系统与全球卫星导航系统组合使用， 则可 充分发挥两者各自的优势、 取长补短， 完成较高精度的远程、 长期的导航任务。 0003 由于在惯性导航系统与全球卫星导航系统组合使用的组合导航系统中， 惯性传感 器对其在载体上的安装方向有要求， 须满足惯性传感器安装的 X 轴向 ( 横轴 )、 Y 轴向 ( 纵 轴 )、 Z 轴向 ( 竖轴 ) 与载体右向轴、 前向轴、 天向轴相一致， 这样就限制了组合导航系统的 惯性传感器的安装方式， 也对用户的安装空。
13、间提出了要求， 并可能导致占用较大的安装空 间， 降低了组合导航系统安装的简便性和易操作性。 发明内容 0004 本发明针对现有技术存在的缺陷， 提出一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向 快速识别方法， 只要满足惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平 行， 当载体由静止开始做加速运动时， 本方法会自动快速识别出惯性传感器的正确轴向， 简 化了惯性传感器在载体上的安装方式， 大大提高了组合导航系统的安装方式的简便性和易 操作性。 0005 本发明的技术方案是 ： 0006 一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 所述惯性传感器包括相 互正交的一组加速度计和相互正交的一。
14、组陀螺仪， 其特征在于， 将所述惯性传感器安装于 载体上时， 使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行， 通过卫星 导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值， 即可判断出惯性传感器的正确轴 向 ； 所述惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、 纵轴、 竖轴分别与载体的右向轴、 前向轴、 天向轴相一致。 0007 所述惯性传感器为六自由度的惯性传感器， 包括三个相互正交的陀螺仪和三个相 互正交的加速度计， 利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体静止或运动 ； 载体静止 时， 找出三个轴向加速度计输出的绝对值最大的比力值并判断其是否与重力加速度值相 说 明 书 CN 。
15、102506858 A 4 2/5 页 5 当， 判断出与载体天向轴一致的竖轴 ； 载体由静止开始做加速运动时， 通过比较由另外两轴 加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴 ； 最后， 通 过右手定则确定与载体右向轴一致的横轴， 即完成惯性传感器正确轴向的识别。 0008 所述卫星导航系统输出的水平合速度是指VBD_E和 VBD_ N分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值 ； 当VgroundspeedVzeropeed， 判定此时载 体静止 ； 当VgroundspeedVzerospeed， 则判定载体由静止开始做加速运动， 其中Vzerospeed为。
16、门限值， 由经验值确定。 0009 所述载体静止时， 若加速度计输出的绝对值最大的比力值为正值， 且绝对值与重 力加速度值相当， 则判断出比力输出值最大的轴向即为与载体天向轴一致的竖轴 ； 若加速 度计输出的绝对值最大的比力值为负值， 且绝对值与重力加速度值相当， 则判断出比力输 出值最大的轴向的反向为与载体天向轴一致的竖轴。 0010 所述载体由静止开始做加速运动时， 比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积 分求得的速度值， 速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若 求得的速度值为正值， 则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为 负值， 则判断。
17、出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。 0011 所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为 ： 0012 0013 其中， X 、 Y 、 Z 表示识别后的正确轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， X、 Y、 Z 表示原始安装 轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i 为变换系数， 取值分别为 0 或 +1 或 -1 ； 所述 惯性传感器的原始安装轴向是指当所述惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向 轴和前向轴平行时， 惯性传感器安装在载体上时横轴、 纵轴、 竖轴的原始指向。 0014 所述惯性传感器为四自由度的惯性传感器， 包括。
18、轴向分别与载体右向轴和前向轴 平行的两个陀螺仪和两个加速度计， 利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是否开 始运动 ； 当载体由静止开始做加速运动时， 通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积 分求得的速度值判断出与载体前向轴一致的纵轴 ； 再通过右手定则判定与载体右向轴一致 的横轴， 即完成惯性传感器正确轴向的识别。 0015 所述载体由静止开始做加速运动时， 比较另外两轴加速度计比力输出值对时间积 分求得的速度值， 速度绝对值较大者所在的轴向或其反向应为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为正值， 则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值 为负值， 则判断出此。
19、轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。 0016 所述卫星导航系统输出的水平合速度是指VBD_E和VBD_N 分别为卫星导航系统输出的东向速度值和北向速度值 ； 当 Vgroundspeed Vzerospeed， 则判定载体 由静止开始做加速运动， 其中 Vzerospeed为门限值， 由经验值确定。 0017 所述惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为 ： 0018 X aX+bY， Y cX+dY 说 明 书 CN 102506858 A 5 3/5 页 6 0019 其中， X 、 Y 表示正确轴向的横轴、 纵轴， X、 Y 表示原始安装轴向的横轴、 纵轴， a、。
20、 b、 c、 d 为变换系数， 取值为 0 或 +1 或 -1。 0020 本发明的技术效果 ： 0021 本发明提出一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 只要满足 惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体的右向轴、 前向轴平行， 通过卫星导航系统输 出的水平合速度以及加速度计输出的比力值， 本方法会自动快速识别出惯性传感器正确轴 向 ； 本发明的方法与现有技术相比， 其优势在于简化了惯性传感器在载体上的安装方式， 克 服了现有技术的安装方式对惯性传感器轴向安装方向的限制， 降低了对载体安装空间的要 求， 大大提高了组合导航系统的安装方式的简便性和易操作性， 有助于实现组合导航系统。
21、 的大量应用。 附图说明 0022 图 1 为本发明惯性传感器轴向快速识别方法的流程示意图。 0023 图 2 为本发明惯性传感器的安装轴向与正确轴向的变换关系示意图。 具体实施方式 0024 以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。 0025 如图 1 所示， 为本发明惯性传感器轴向快速识别方法的流程示意图。本发明的方 法， 基于以下前提 ： 1. 载体前进的加速度不超过重力加速度 G， 2. 不考虑系统在载体动态时 上电的情况， 3. 惯性传感器轴向的安装满足右手定则。本发明所述的卫星导航系统包括美 国的 GPS 系统， 俄罗斯 GLONASS 系统， 中国的北斗系统， 欧洲的 G。
22、ALILEO 系统， 以及以后可 能出现的新的卫星导航系统。一种卫星导航系统辅助的惯性传感器轴向快速识别方法， 惯 性传感器包括相互正交的一组加速度计和相互正交的一组陀螺仪， 本实施例的惯性传感器 为六自由度的惯性传感器， 包括三个相互正交的陀螺仪和三个相互正交的加速度计 ； 将所 述惯性传感器安装于载体上时， 使惯性传感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前 向轴平行， 通过卫星导航系统输出的水平合速度以及加速度计输出的比力值， 即可判断出 惯性传感器的正确轴向 ； 惯性传感器的正确轴向是指惯性传感器的横轴、 纵轴、 竖轴分别与 载体的右向轴、 前向轴、 天向轴相一致。具体的， 根据卫星导。
23、航系统输出的东向速度值 VBD_ E和北向速度值 VBD_N求得水平合速度 首先判断载体是静止还 是运动， 当 Vgroundspeed Vzerospeed， 判定此时载体静止， 其中 Vzerospeed为门限值， 由经验值确定， 例如可取 Vzerospeed 1.Om/s ； 由惯性传感器得到三个轴向加速度计的原始比力输出值， 此 时， 一个轴向的加速度计比力输出值的绝对值最大并应与重力加速度值 G 相当， 另两个轴 向的加速度计比力输出值应为零左右， 通过对比三个轴向加速度计输出的比力值， 找出绝 对值最大的比力值并判断其是否与 G 相当， 则可以判断出惯性传感器与载体天向轴一致的 。
24、竖轴， 即确定 Z 轴 ； 其次， 利用卫星导航系统输出的水平合速度可以判断载体是否运动， 当 Vgroundspeed Vzerospeed时， 则判定载体由静止开始做加速运动， 当载体由静止开始做加速运动 时， 前进方向的加速度大于侧向加速度， 因此， 通过另外两轴加速度计输出的比力值对时间 积分， 求得速度， 通过比较这两个轴向的速度值即可判断出载体的前进方向， 确定惯性传感 器与载体前向轴一致的纵轴， 即 Y 轴 ； 最后， 根据已经确定的 Z 轴和 Y 轴， 由右手定则确 说 明 书 CN 102506858 A 6 4/5 页 7 定与载体右向轴一致的横轴， 即 X 轴， 完成惯性。
25、传感器正确轴向的识别。 0026 如图 2a、 图 2b 所示， 为本发明惯性传感器的原始安装轴向与识别出的正确轴向的 变换关系示意图。惯性传感器的原始安装轴向是指惯性传感器安装于载体上时， 使惯性传 感器相互正交的任意两轴分别与载体右向轴和前向轴平行时， 惯性传感器的横轴、 纵轴、 竖 轴的原始指向。图 2a 为本发明惯性传感器的安装方式为 Y 轴、 Z 轴两轴分别与载体右向轴 和前向轴平行， 而X轴朝上与载体天向轴同向时的情况， 此时包括Y轴与载体前向轴同向或 反向， 或 Z 轴与载体前向轴同向或反向四种情况， 图中 X 、 Y 、 Z 表示识别后的与载体右向 轴、 前向轴、 天向轴相一致。
26、的正确轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， X、 Y、 Z 表示原始安装的横轴、 纵 轴、 竖轴。以图 2a 中左数第一图为例， 当 X 轴朝上， Y 轴朝前时， 在此种安装情况下， 用卫星 导航系统输出的水平合速度判断载体是否静止， 静止时， Vgroundspeed Vzerospeed， 此时 X 轴的加 速度计输出的比力值最大， |f|max|fx|， 且|fx|与重力加速度值相当， 并且X轴朝上时比力 输出值为正， 则确定 X 轴即为 Z 轴， 即 Z X， ( 若 X 轴朝下， 比力输出值最大， 但为负值， 则 X 轴的反向为 Z 轴， 即 Z -X) ； 再用卫星导航系统输出的水平合速度。
27、判断载体是否由 静止开始做加速运动， 当 Vgroundspeed Vzerospeed则认为载体开始加速运动， 将 Y、 Z 两轴加速度 计输出的比力值进行积分求出 Y、 Z 两轴轴向速度 ：此时对比 Vy和 Vz， 可判断出 Y 向速度值较大且为正值， 则确定 Y 轴为 Y 轴， 即 Y Y( 同样道理， 若 Y 轴朝后， 则 Y 向速度值较大但为负值， 则确定 Y 轴的反向为 Y 轴， 即 Y -Y) ； 最后， 根据 右手定则， 则确定 Z 轴为 X 轴， 当 X 轴朝上， Y 轴朝前时， Z 轴朝左， 与载体右向轴一致的 X 轴指向相反， 即 X -Z ； 此时即确定了惯性传感器新旧。
28、轴的变换方案为 ： X -Z， Y Y， Z X， 按照此变换方式， 把原始安装轴向变换为新的正确轴向， 变换后的陀螺仪和加速度 计的输出为 ： 0027 0028 如图 2b 所示， 为惯性传感器的安装方式为 Y 轴、 Z 轴两轴分别与载体右向轴和前 向轴平行， 而X轴朝下与载体天向轴反向时的情况， 此时也包括Y轴与载体前向轴同向或反 向， 或 Z 轴与载体前向轴同向或反向四种情况。以此类推， 本发明的惯性传感器的安装方式 包括 X 朝上或朝下、 Y 朝上或朝下、 Z 轴朝上或朝下这 6 种可能性， 而每一种可能性又包括剩 余两个轴分别朝前或朝后， 又有4种可能性， 因此总共有24种可能的安。
29、装方式， 则惯性传感 器原始安装轴向与识别出的正确轴向的变换方案可以用以下通用公式表示为 ： 0029 0030 其中 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i 为 9 个系数， 取值可能为 0、 +1、 -1。其中， X 、 Y 、 Z 表示正确轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， X、 Y、 Z 表示原始安装轴向的横轴、 纵轴、 竖轴， a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、 h、 i 为变换系数， 取值为 0 或 +1 或 -1。例如当原始安装轴向为 X 轴朝右、 Y 轴朝前、 Z 轴朝上时， 则 X X， Y Y， Z Z， a 1， e 1， i 1， 而 b、 c、 d、 f、。
30、 g、 h 均为 0 ； 而 当原始安装轴向为 X 轴朝左、 Y 轴朝后、 Z 轴朝上时， 则 X -X， Y -Y， Z Z， a -1， 说 明 书 CN 102506858 A 7 5/5 页 8 e -1， i 1， b、 c、 d、 f、 g、 h 均为 0。 0031 在一些地面车载导航等应用上， 由于高度基本为地面高度， 变化不大， 可采用简化 方案， 为四自由度的惯性传感器， 包括分别与载体右向轴和前向轴平行的两个陀螺仪和两 个加速度计， 利用卫星导航系统输出的水平合速度判断载体是 否开始运动， 当 Vgroundspeed Vzerospeed， 载体由静止开始做加速运动， 。
31、其中 Vzerospeed为门限值， 由经验值确定 ； 此时通过比较由两轴加速度计比力输出值对时间积分求得的速度值判断出 与载体前向轴一致的纵轴 ； 则满足右手定则的另一轴即为与载体右向轴一致的横轴， 即完 成惯性传感器正确轴向的识别。载体由静止开始做加速运动时， 比较另外两轴加速度计比 力输出值对时间积分求得的速度值， 速度绝对值较大者所在的轴向或其反向为与载体前向 轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为正值， 则判断出此轴向即为与载体前向轴一致的纵轴 ； 若求得的速度值为负值， 则判断出此轴向的反向为与载体前向轴一致的纵轴。这时惯性传 感器的安装方式包括 4 种可能的安装方式， 包括 X 轴朝前或朝后， 或 Y 轴朝前或朝后四种情 况， 惯性传感器的原始安装轴向与识别后的正确轴向之间的变换关系表示为 ： 0032 X aX+bY， Y cX+dY 0033 其中， X 、 Y 表示正确轴向的横轴、 纵轴， X、 Y 表示原始安装轴向的横轴、 纵轴， a、 b、 c、 d 为变换系数， 取值为 0 或 +1 或 -1。 说 明 书 CN 102506858 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2a 说 明 书 附 图 CN 102506858 A 9 2/2 页 10 图 2b 说 明 书 附 图 CN 102506858 A 10 。