氣壓計(jì)輔助的GNSS_MEMS_IMU系統(tǒng)抗多徑自適應(yīng)濾波

1、第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì) CSNC2011Barometer aided GNSS / MEMS IMU Adaptive Filtering with Multipath MitigationHan Rui1, Sun Chao2, Feng FuWeiTellhow and OLinkStar Co., Ltd, Beijing China, 1000831.hanr 2.suncAbstract: This paper presents a barometer aided adaptive Kalman filtering with GNSS multi-path smoothing

2、features. The real-time GNSS/MEMS INS integrated navigation system is implemented and tested. The projection of multi-path along the vertical direction is analyzed followed by a comparison of geodetic height changes between barometer and GNSS positioning results, which is employed in the implementat

3、ion of multipath detection cross adjacent epochs and filters measurement noise matrix weighting. By virtue of the weighted the matrix, the Kalman filter is adaptive to the multi-paths interference for data fusion algorithm. The test results show that the proposed method reduces the positioning error

4、 by 30% to 3m (rms) and three dimension attitude error is around 1degree (rms).Keywords: GNSS; MEMS IMU; Kalman filtering; Multipath; Barometer氣壓計(jì)輔助的GNSS/MEMS IMU系統(tǒng)抗多徑自適應(yīng)濾波韓瑞1，孫超2 ，馮福偉北京泰豪聯(lián)星技術(shù)有限公司，北京，中國(guó)， 1000831.hanr 2.sunc【摘要】 本文提出了一種氣壓計(jì)輔助的抗多徑自適應(yīng)濾波技術(shù)，并在實(shí)時(shí)GNSS/MEMS INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并測(cè)試。本文分析了衛(wèi)星信號(hào)的多徑誤差在高度方

5、向上投影的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比相鄰時(shí)刻氣壓高度的變化與GNSS系統(tǒng)高度變化實(shí)現(xiàn)多路徑檢測(cè)，并實(shí)時(shí)計(jì)算權(quán)值矩陣，通過(guò)對(duì)Kalman濾波的觀測(cè)噪聲協(xié)方差陣加權(quán)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波，減小多路徑干擾對(duì)組合系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合精度的影響。實(shí)際車載測(cè)試表明，上述方法可將多徑干擾對(duì)系統(tǒng)定位誤差的影響減少約30%，使系統(tǒng)在多徑情況下的動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于3m（rms），三維姿態(tài)精度優(yōu)于1度（rms）?！娟P(guān)鍵詞】GNSS；MEMS IMU；卡爾曼濾波；多徑；氣壓計(jì)1 引言MEMS（Micro-electromechanical Systems） IMU（Inertial Measurement Unit）是基于微機(jī)電系統(tǒng)的慣性測(cè)量單

6、元，其本身具有可靠性高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)，隨著其測(cè)量精度的不斷提高，目前MEMS IMU與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)( Global Navigation Satellite System, GNSS)GNSS相結(jié)合形成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)也已成為備受矚目的發(fā)展方向。由于MEMS IMU的誤差快速隨時(shí)間積累，因此GNSS的精度仍然對(duì)組合系統(tǒng)的精度起著至關(guān)重要的作用。隨著GNSS系統(tǒng)性能的不斷增強(qiáng)，許多誤差源可以得到有效地消除或抑制，因而多徑誤差就成為影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量重要的甚至是支配性的誤差源1。因此，如何有效克服多徑干擾已成為目前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向234。2 多徑干擾影響

7、多徑信號(hào)是指GNSS接收機(jī)在接收衛(wèi)星發(fā)射的直達(dá)導(dǎo)航信號(hào)的同時(shí)還接收到其它各種間接信號(hào),間接信號(hào)對(duì)直達(dá)信號(hào)的干涉會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)測(cè)量誤差, 這種間接信號(hào)即為多徑信號(hào)。多徑信號(hào)主要由地面和天線周圍物體的反射、導(dǎo)航衛(wèi)星星體反射、因大氣層傳播介質(zhì)散射三方面形成, 在這3 種多徑信號(hào)中, 以地面和天線周圍物體反射的多徑信號(hào)為主5。接收機(jī)天線附近的物體(尤其是地面) 很容易反射GNSS信號(hào),導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)次要的傳播路徑。這些疊加在期望的直接路徑信號(hào)上的反射信號(hào)總是具有更長(zhǎng)的傳播時(shí)延,可能對(duì)直接到達(dá)信號(hào)造成幅度和相位的較大擾動(dòng)。多徑干擾不僅會(huì)使調(diào)制到導(dǎo)航信號(hào)上的偽碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)失真, 而且還會(huì)使載波相位發(fā)生畸變;

8、 多徑信號(hào)直接影響GNSS接收機(jī)的偽碼測(cè)距、載波相第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì) CSNC2011位和多普勒等觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量精度, 導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量降低; 多路徑信號(hào)甚至?xí)?dǎo)致接收機(jī)跟蹤環(huán)路的失鎖。一個(gè)沒(méi)有多徑保護(hù)的接收機(jī),C/ A 碼的測(cè)距誤差可能有10m或者更高。高度（m）氣壓計(jì)和GNSS高度53 常用抗多徑技術(shù)為減小多徑效應(yīng)對(duì)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響, 目前的研究主要從兩個(gè)方面著手: 1.抗多徑天線, 通過(guò)有效設(shè)計(jì)天線提高高仰角增益, 降低低仰角增益，GNSS 接收天線常用的抗多徑技術(shù)主要包括扼流圈( Choke Ring) 技術(shù)和烽火輪( Pinwheel) 技術(shù); 2.基帶信號(hào)處理, 對(duì)多徑

9、誤差造成的畸變相關(guān)峰進(jìn)行適當(dāng)修正或盡可能減少相關(guān)峰的畸變,如窄相關(guān)技術(shù)、MEDLL ( Multipath Est imating Delay Lock Loop) 技術(shù)、Strobe 相關(guān)技術(shù)、PAC ( Pulse Aperture Correlator)技術(shù)等。但是, 這些技術(shù)對(duì)短延遲多徑信號(hào)的抑制效果都不是很理想。此外，還有時(shí)空處理以及抗多徑選星等技術(shù)，但目前還沒(méi)有一種技術(shù)能夠非常好地解決接收機(jī)面臨的多徑誤差問(wèn)題。5GPS Time - 9.798000e+004(sec)圖2 存在多徑時(shí)的GNSS高度及氣壓計(jì)高度4 氣壓計(jì)輔助的抗多徑技術(shù)本文針對(duì)GNSS/MEMS IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)

10、提出了一種采用氣壓計(jì)輔助的抗多徑技術(shù)，此方法不同于常用的抗多徑技術(shù)，無(wú)須對(duì)GNSS接收機(jī)的射頻、基帶部分作改動(dòng)，只需增加一個(gè)低成本的氣壓高度計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法就可以抑制多路徑誤差對(duì)組合導(dǎo)航結(jié)圖3 氣壓計(jì)輔助的抗多徑算法流程圖圖1 多徑誤差示意圖圖2是一組跑車數(shù)據(jù)的GNSS高度與氣壓高度對(duì)比，通過(guò)分析圖2數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在多徑干擾時(shí)（在700s，1050s，1300s，1900s附近）實(shí)際路況高度并未發(fā)生較大波動(dòng)，GNSS的高度會(huì)發(fā)生較大變化，不符合實(shí)際狀況，而氣壓計(jì)輸出高度則不受這一問(wèn)題影響，因此，我們可以利用這一特性，通過(guò)對(duì)比相鄰時(shí)刻氣壓高度的變化與GNSS系統(tǒng)高度變化實(shí)現(xiàn)多路徑檢測(cè)，當(dāng)

11、檢測(cè)結(jié)果認(rèn)為出現(xiàn)了多路徑誤差，則實(shí)時(shí)計(jì)算由于多徑信號(hào)會(huì)使接收機(jī)的測(cè)量信息發(fā)生改變，以其對(duì)偽距測(cè)量值的影響為例，如示意圖圖1所示，我們假設(shè)接收機(jī)收到衛(wèi)星A的信號(hào)為多徑信號(hào)，其作用等效于使衛(wèi)星A的偽距增大，不考慮其他衛(wèi)星的因素時(shí)，會(huì)對(duì)定位結(jié)果引入衛(wèi)星信號(hào)的多徑誤差，使測(cè)得接收機(jī)位置偏離了其真實(shí)位置，此誤差會(huì)在定位結(jié)果的高度方向上有一個(gè)投影分量。權(quán)值矩陣，通過(guò)對(duì)組合系統(tǒng)的Kalman濾波的觀測(cè)噪聲協(xié)方差陣進(jìn)行加權(quán)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波，減小多路徑干擾對(duì)組合系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合精度的影響。算法流程圖如圖3所示。5 測(cè)試結(jié)果本文將上述技術(shù)在實(shí)時(shí)GNSS/MEMS INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并于2011年1月10日進(jìn)行了

12、車載試驗(yàn)，采集了原始數(shù)據(jù)，分別將采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)的算法與不采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)時(shí)的算法對(duì)車載試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，將導(dǎo)航結(jié)果顯示在google earth上，如圖4和圖5所示。在高樓附近存在多徑信號(hào)干擾的情況下，通過(guò)圖5軌跡圖的放大對(duì)比，可以看出，采用氣壓計(jì)輔助的軌跡基本正常，而不采用時(shí)的軌跡已經(jīng)明顯偏離了實(shí)際道路，采用氣壓計(jì)輔助后的導(dǎo)航誤差要明顯小于未采用的情況。圖4.a 未采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)的軌跡圖圖4.b 采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)的軌跡圖高樓圖5 兩種算法的軌跡圖對(duì)比（放大）采用RTS后處理反向平滑結(jié)果作為參考結(jié)果，則兩種算法的誤差曲線如圖6和圖7所示，RMS誤差

13、統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì) CSNC2011)m東向位置誤差(差誤置位向東GPS Time - 9.798000e+004(sec)m北向位置誤差(差誤置位向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)m天向位置誤差(差誤置位向天GPS Time - 9.798000e+004(sec)圖6.a 三維位置誤差)s/東向速度誤差m(差誤度速向東GPS Time - 9.798000e+004(sec)s/北向速度誤差m(差誤度速向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)s/天向速度誤差m(差誤度速向天GPS Time - 9.798000e

14、+004(sec)圖6.b 三維速度誤差)g航向角誤差ed(差誤角向航GPS Time - 9.798000e+004(sec)g俯仰角誤差ed(差誤角仰俯GPS Time - 9.798000e+004(sec)g橫滾角誤差ed(差誤角滾橫GPS Time - 9.798000e+004(sec)圖6.c 三維姿態(tài)誤差圖6 未采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)的誤差)m東向位置誤差(差誤置位向東GPS Time - 9.798000e+004(sec)m北向位置誤差(差誤置位向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)m天向位置誤差(差誤置位向天GPS Time - 9.798000

15、e+004(sec)圖7.a 三維位置誤差第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì) CSNC2011北向速度誤差(m/s)東向速度誤差(m/s)東向速度誤差GPS Time - 9.798000e+004(sec)北向速度誤差從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，未采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)時(shí)，位置誤差RMS值：東向1.43m，北向1.24m，天向2.27m；而采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)后，位置誤差RMS值：東向1.05m，約提高30%，北向0.73m，約提高40%，天向1.57m，約提高30%；速度和姿態(tài)也有不同程度的提高。通過(guò)多次車載實(shí)驗(yàn)，采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)后，系統(tǒng)在多徑情況下的動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于3m（rms），三

16、維姿態(tài)精度優(yōu)于1度（rms）。GPS Time - 9.798000e+004(sec)天向速度誤差天向速度誤差(m/s)GPS Time - 9.798000e+004(sec)圖7.b 三維速度誤差航向角誤差(deg)6 結(jié)論本文提出的這種氣壓計(jì)輔助的抗多徑自適應(yīng)濾波技術(shù)，便于在實(shí)時(shí)GNSS/MEMS INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，只需增加一個(gè)低成本的氣壓高度計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合算法就可以抑制多路徑誤差對(duì)組合導(dǎo)航結(jié)果的影響。實(shí)際車載測(cè)試表明，上述方法可將多徑干擾對(duì)系統(tǒng)定位誤差的影響減少約30%，使系統(tǒng)在多徑情況下的動(dòng)態(tài)定位精度優(yōu)于3m（rms），三維姿態(tài)精度優(yōu)于1度（rms）。航向角誤差GPS T

17、ime - 9.798000e+004(sec)俯仰角誤差GPS Time - 9.798000e+004(sec)橫滾角誤差橫滾角誤差(deg)俯仰角誤差(deg)GPS Time - 9.798000e+004(sec)圖7.c 三維姿態(tài)誤差圖7 采用氣壓計(jì)輔助抗多徑技術(shù)的誤差References (參考文獻(xiàn))1 Elliott.Kaplan Christopher J.Hegarty, GPS原理與應(yīng)用M（第二版），寇艷紅譯，北京: 電子工業(yè)出版社, 2007: P208-2212 Pratap Misra, Per Enge. 全球定位系統(tǒng)信號(hào)、測(cè)量與性能M（第二版）. 羅鳴, 曹沖, 肖雄兵, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008: P330- 335.3 Brenneman, M., Morton, J., Yang, C. and vanGraas,F., Mitigation of GPS Multipath Using Polarization and Spatial DiversitiesJ, Proc. ION GNSS, Fort Worth, TX, September 2007, 1221-1