MEMS组合导航模块的设计实现

摘要：设计一种嵌入式卫星/MEMS组合导航模块。该模块采用北京时代民芯科技有限公司的国产化GPS/BD多模导航接收机，实现与MEMS惯性器件的软硬件融合。基于工程化应用，提出一种高可靠扩展卡尔曼滤波器滤波算法，实时校准各种误差项，改善组合导航模块性能。在静态情况下，模块姿态角误差小于0.2°，航向角误差小于0.5°。在动态情况下，姿态角与航向角误差小于1°，如果卫星导航突然中断，将能持续30秒，定位精度维持在20米内。

本文引用地址：引言

随着北斗导航应用的不断推广，国产导航芯片和模块持续升级，各领域应用对北斗导航产品性能提出新的要求：低成本、低功耗、小型化、高精度。

其中，GPS/BD多模导航的实现，很大程度满足国内外需求，集合MEMS惯性传感器的组合导航模块，进一步丰富多层面用户应用。与传统导航系统相比，卫星/MEMS组合导航模块，采用较低成本的MEMS惯性器件，极大降低导航系统成本、功耗和体积，与此同时，MEMS惯性器件具有瞬间较高精度的特点，弥补卫星导航不连续、输出频率不高、易失锁等不足[1~3]。

由于MEMS-IMU(IMU，惯性测量单元)精度仍处于较低水平，无法单独实现导航。通常采用MEMS-IMU与卫星导航接收机、磁强计等相结合的方式，构建组合导航模块，实现较高精度姿态控制与导航定位[2]。

为了适合特定导航应用，提出一种卫星/MEMS组合导航模块用工程化滤波算法。并在嵌入式平台上实现。

卫星/MEMS组合导航，通过算法实现角速度校准，加速度校准，以及磁校准;估计载体姿态角度，位置和速度信息，并以较高的输出速率实时更新。该系统中采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)估算并校准系统状态量。通过融合卫星导航信息和磁强计信息，实时校准系统姿态、位置、速度和传感器误差。该EKF融合算法，考虑到传感器主要特性：零偏、标度因数误差、正交耦合误差等。此外，由于磁强计感测地磁场强度时，会受到硬铁和软铁干扰，因此在滤波器中对其进行估计。在静态情况下，系统姿态角误差小于0.2°，航向角误差小于0.5°。在动态情况下，姿态角与航向角误差小于1°，如果卫星导航突然中断，将能持续30秒，定位精度维持在20米内。

模块设计

综合考虑成本、功耗、体积、可靠性等因素，卫星/MEMS组合导航模块采用嵌入式平台开发方案[6]，如图1所示。系统由处理器、MEMS-IMU、GPS/BD多模导航接收机、磁强计等重要部件组成。

姿态与航向校准算法

理想情况下，将陀螺感测的角速度信息融入姿态处理器，在获悉载体初始姿态情况下，同时认为陀螺的输出比较精准，一般的解算足以获得够用的姿态信息。然而，通常初始姿态无法准确获得，陀螺和加速度计都遭受随机漂移、失准角误差、加速度敏感误差、标度因数误差及其非线性等因素的影响，磁强计存在磁感应失真等。如图2所示，通过工装将模块安装于测试设备上，设计合理标定流程和算法，便可获得陀螺和加速度计常值零偏、标度因数、失准角误差量等关键参数。

通常在组合模块安装好之后，对磁强计的误差和干扰进行校准。姿态与航向解算中，陀螺的漂移引起的误差最大，如果没有滤波算法，解姿信息将不断偏离真实数值。该卡尔曼滤波器提供在线陀螺漂移校准，加速度计提供重力轴系参考，磁强计通过与加速度计配合，提供航向参考。

姿态估计算法中，提供稳定的三维欧拉角roll、pitch、yaw，为了提高精度并避免奇异，采用四元数法实时更新方向余弦矩阵。MEMS陀螺感测到载体角速度，通过差分方程实时更新姿态四元数，同时获得更新后的方向余弦矩阵，从而获得姿态角的更新。

卡尔曼滤波器姿态校准的实现，之所以能够改善性能，主要在于它能够准确估计出陀螺的漂移和姿态误差。这种方式的优点是：滤波器估计了绝对姿态误差，因而无论是哪一部分误差污染了姿态角，都可以直接用其来校准姿态角输出。姿态与航向校准模块，采用EKF，包含两个部分：线性姿态误差与陀螺漂移模型，非线性姿态四元数误差模型。状态模型基于陀螺输出数据，预测姿态误差和陀螺漂移，量测模型采用真实世界的姿态误差量测值校准预测部分，该姿态误差量测值由加速度计与磁强计获得。这两个参考数据源向卡尔曼滤波器提供适当的置信水平[4]。

航姿模块路测试验

为了能够正确推算模块的姿态、速度、位置等信息，准确对准初始姿态是十分必要的。由于低精度MEMS陀螺不能感测到地球自转角速率，因此不能采用传统的自对准方法实现初始化对准。基于系统方案，将磁强计与MEMS加速度计进行组合，构成测姿模块，实现初始化对准。如图2所示，单片磁强计由三轴正交磁阻传感器与数字化ASIC接口构成，磁强计不能单独确定航向角，需要MEMS-IMU模块中的加速度计配合，辅助磁强计精确确定航向角[2]。

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