单天线GNSS和IMU组合导航的初始对准方法及装置与流程

本发明涉及定位导航，尤其涉及一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法及装置。

背景技术：

1、全球卫星导航系统(gnss)与惯性测量单元(imu)形成的组合导航技术在农业方面得到了深入和广泛的研究和应用。gnss提供广泛的不受时间影响的高精度绝对位置信息和授时信息，但容易受到天气、信号遮挡和多径的影响。imu则可以提供不受外界影响的姿态信息和相对定位信息，两者组合可以弥补相互之间的不足，提供更加稳定可靠、精准、冗余的导航信息。

2、初始对准是组合导航中的一项关键技术，初始对准为组合导航提供初始的位置、速度及姿态信息(包括航向角)，初始位置、速度一般由gnss直接给出，水平姿态由imu的加速度计输出值计算得到；获取高精度的初始航向角则比较困难和复杂，也是初始对准的一个主要任务和目标。不同的初始对准方法，将决定组合导航系统的组成、成本和使用方式等。

3、现有技术中，初始对准时获取初始航向角一般包括：采用双天线gnss的航向信息作为初始航向角；采用磁力计测量地球磁场计算初始航向角；以及采用单天线gnss信息获得初始航向角。以上三种方式存在如下不足：

4、1)采用双天线gnss的航向信息作为初始航向角：需要安装两个相对距离足够长的天线以及配合使用的高精度定位定向板卡，其安装结构复杂，多一个天线增加了成本，且双天线gnss的定位定向板卡价格较贵，整体成本较高；

5、2)采用磁力计测量地球磁场计算初始航向角：该方法通过三轴磁力计测量地球磁场计算得到磁航向角，再补偿磁偏角后得到真北航向，使用之前需对磁力计进行误差标校。由于农机容易导磁，除地球磁场外，磁力计所处的磁场环境还包括变化的干扰磁场，而且磁力计标定参数的误差随时间变化。因此，这种方法容易受到干扰导致航向角误差较大，且需要经常校准磁力计参数，造成使用烦杂、维护成本高；

6、3)采用单天线gnss信息获得初始航向角：该方法的常规做法是直接使用gnss输出的航迹角作为初始航向角。但在速度较低时，航迹角与航向角的偏差较大，直接将航迹角作为初始航向角将导致初始航向角精度较低。

7、另外，载体纵向(车头方向)与速度方向的相对关系对获取初始航向角也至关重要，现有技术中人工指定农机车头方向将降低自动化和智能化程度，已公开的车头方向判断方法尚不成熟，尤其不能实现低速下农机车头方向的准确判断。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法及装置。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，包括：实时采集imu测量数据和gnssrtk导航数据；对imu测量数据中的高频加速度值进行滑动平均，获得纵向加速度平滑值；根据gnssrtk导航数据中的gnss速度和纵向加速度平滑值确定载体速度与载体纵向的相对关系；根据gnssrtk导航数据中的gnss速度和航迹角确定航向角，并对航向角进行连续性处理及平滑滤波，得到平滑滤波航向角；根据载体速度与载体纵向的相对关系对平滑滤波航向角进行偏差修正，得到初始对准的初始航向值。

3、为解决上述技术问题，本发明还提供一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现上述技术方案提供的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法。

4、为解决上述技术问题，本发明还提供一种可读存储介质，包括指令，当指令在处理器上运行时，使处理器执行上述技术方案提供的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法。

5、本发明的有益效果是：本发明结合了imu测量数据和gnss rtk导航数据，通过imu测量数据获得纵向加速度平滑值，根据gnss rtk导航数据和纵向加速度平滑值可以准确判断载体开始运动时速度与载体纵向的相对关系，且根据速度信息和航迹角确定航向角，并对航向角进行连续性处理及平滑滤波，得到平滑滤波航向角；再根据载体速度与载体纵向的相对关系对平滑滤波航向角进行偏差修正，即可得到高精度的初始航向角。

6、本发明相比于直接将双天线gnss的航向信息作为初始航向角的方式，具有安装结构简单、成本低等优势；相比于采用磁力计测量地球磁场计算初始航向角的方式，具有抗磁干扰能力强，无需频繁校准磁力计参数，使用简单、维护成本低等优势；相比于单天线gnss直接将航迹角作为初始航向角的方式，本发明无论在低速还是高速情况下均可获得高精度的初始航向角。即本发明可在较宽的速度范围内获得较高精度的初始航向角，可进一步提高农机作业的自动化、智能化程度，降低物料和维护成本，提高经济效益。

7、本发明附加的方面及其优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

技术特征：

1.一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据所述gnss rtk导航数据中的速度信息和所述纵向加速度平滑值确定载体速度与载体纵向的相对关系，包括：

3.根据权利要求2所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据所述东向速度和北向速度确定载体状态的变化，包括：

4.根据权利要求2所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据过渡状态下所述纵向加速度平滑值的平均值与静止状态下所述纵向加速度平滑值的差值确定载体速度与载体纵向的相对关系，包括：

5.根据权利要求3所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据所述gnss rtk导航数据中的速度信息和航迹角确定航向角，包括：

6.根据权利要求5所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据所述东向滤波速度和北向滤波速度确定航向角，公式如下：

7.根据权利要求5所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述第一预设时间取值为0.04～0.06s，所述第一速度阈值取值为0.07m/s；所述第二预设时间取值为0.04～0.06s，所述第二速度阈值取值为0.1m/s。

8.根据权利要求6所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述对所述航向角进行连续性处理及平滑滤波，得到平滑滤波航向角，连续性处理公式如下：

9.根据权利要求1至8任一项所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法，其特征在于，所述根据载体速度与载体纵向的相对关系对所述平滑滤波航向角进行偏差修正，得到初始对准的初始航向值，包括：

10.一种单天线gnss和imu组合导航的初始对准装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9任一项所述的单天线gnss和imu组合导航的初始对准方法。

技术总结
本发明公开了一种单天线GNSS和IMU组合导航的初始对准方法及装置，方法包括：实时采集IMU测量数据和GNSSRTK导航数据；对IMU测量数据中的高频加速度值进行滑动平均，获得纵向加速度平滑值；根据GNSSRTK导航数据中的速度信息和纵向加速度平滑值确定载体速度与载体纵向的相对关系；根据GNSSRTK导航数据中的速度信息和航迹角确定航向角，对航向角进行连续性处理及平滑滤波，得到平滑滤波航向角；根据载体速度与载体纵向的相对关系对平滑滤波航向角进行偏差修正，得到初始航向值。本发明安装结构简单、成本低、抗磁干扰能力强，可在较宽的速度范围内获得较高精度的初始航向角，可进一步提高农机作业的自动化、智能化程度，降低物料和维护成本，提高经济效益。

技术研发人员：黄昆,储成高,王辉,温欣
受保护的技术使用者：潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12