气压计辅助的GNSS_MEMS_IMU系统抗多径自适应滤波

1、第二届中国卫星导航学术年会 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气压计辅助的GNSS/MEMS IMU系统抗多径自适应滤波韩瑞1，孙超2 ，冯福伟北京泰豪联星技术有限公司，北京，中国， 1000831.hanr 2.sunc【摘要】 本文提出了一种气压计辅助的抗多径自适应滤波技术，并在实时GNSS/MEMS INS组合导航系统中实现并测试。本文分析了卫星信号的多径误差在高度方

5、向上投影的特点，通过对比相邻时刻气压高度的变化与GNSS系统高度变化实现多路径检测，并实时计算权值矩阵，通过对Kalman滤波的观测噪声协方差阵加权，实现自适应滤波，减小多路径干扰对组合系统数据融合精度的影响。实际车载测试表明，上述方法可将多径干扰对系统定位误差的影响减少约30%，使系统在多径情况下的动态定位精度优于3m（rms），三维姿态精度优于1度（rms）。【关键词】GNSS；MEMS IMU；卡尔曼滤波；多径；气压计1 引言MEMS（Micro-electromechanical Systems） IMU（Inertial Measurement Unit）是基于微机电系统的惯性测量单

6、元，其本身具有可靠性高、体积小、重量轻、成本低等优势，随着其测量精度的不断提高，目前MEMS IMU与全球导航卫星系统( Global Navigation Satellite System, GNSS)GNSS相结合形成的组合导航系统也已成为备受瞩目的发展方向。由于MEMS IMU的误差快速随时间积累，因此GNSS的精度仍然对组合系统的精度起着至关重要的作用。随着GNSS系统性能的不断增强，许多误差源可以得到有效地消除或抑制，因而多径误差就成为影响卫星导航系统接收机观测数据质量重要的甚至是支配性的误差源1。因此，如何有效克服多径干扰已成为目前卫星导航领域的热点研究方向234。2 多径干扰影响

7、多径信号是指GNSS接收机在接收卫星发射的直达导航信号的同时还接收到其它各种间接信号,间接信号对直达信号的干涉会导致接收机测量误差, 这种间接信号即为多径信号。多径信号主要由地面和天线周围物体的反射、导航卫星星体反射、因大气层传播介质散射三方面形成, 在这3 种多径信号中, 以地面和天线周围物体反射的多径信号为主5。接收机天线附近的物体(尤其是地面) 很容易反射GNSS信号,导致一个或多个次要的传播路径。这些叠加在期望的直接路径信号上的反射信号总是具有更长的传播时延,可能对直接到达信号造成幅度和相位的较大扰动。多径干扰不仅会使调制到导航信号上的伪码和导航数据失真, 而且还会使载波相位发生畸变;

8、 多径信号直接影响GNSS接收机的伪码测距、载波相第二届中国卫星导航学术年会 CSNC2011位和多普勒等观测数据的测量精度, 导致观测数据质量降低; 多路径信号甚至会导致接收机跟踪环路的失锁。一个没有多径保护的接收机,C/ A 码的测距误差可能有10m或者更高。高度（m）气压计和GNSS高度53 常用抗多径技术为减小多径效应对接收机观测数据的影响, 目前的研究主要从两个方面着手: 1.抗多径天线, 通过有效设计天线提高高仰角增益, 降低低仰角增益，GNSS 接收天线常用的抗多径技术主要包括扼流圈( Choke Ring) 技术和烽火轮( Pinwheel) 技术; 2.基带信号处理, 对多径

9、误差造成的畸变相关峰进行适当修正或尽可能减少相关峰的畸变,如窄相关技术、MEDLL ( Multipath Est imating Delay Lock Loop) 技术、Strobe 相关技术、PAC ( Pulse Aperture Correlator)技术等。但是, 这些技术对短延迟多径信号的抑制效果都不是很理想。此外，还有时空处理以及抗多径选星等技术，但目前还没有一种技术能够非常好地解决接收机面临的多径误差问题。5GPS Time - 9.798000e+004(sec)图2 存在多径时的GNSS高度及气压计高度4 气压计辅助的抗多径技术本文针对GNSS/MEMS IMU组合导航系统

10、提出了一种采用气压计辅助的抗多径技术，此方法不同于常用的抗多径技术，无须对GNSS接收机的射频、基带部分作改动，只需增加一个低成本的气压高度计，通过数据融合算法就可以抑制多路径误差对组合导航结图3 气压计辅助的抗多径算法流程图图1 多径误差示意图图2是一组跑车数据的GNSS高度与气压高度对比，通过分析图2数据我们发现，当存在多径干扰时（在700s，1050s，1300s，1900s附近）实际路况高度并未发生较大波动，GNSS的高度会发生较大变化，不符合实际状况，而气压计输出高度则不受这一问题影响，因此，我们可以利用这一特性，通过对比相邻时刻气压高度的变化与GNSS系统高度变化实现多路径检测，当

11、检测结果认为出现了多路径误差，则实时计算由于多径信号会使接收机的测量信息发生改变，以其对伪距测量值的影响为例，如示意图图1所示，我们假设接收机收到卫星A的信号为多径信号，其作用等效于使卫星A的伪距增大，不考虑其他卫星的因素时，会对定位结果引入卫星信号的多径误差，使测得接收机位置偏离了其真实位置，此误差会在定位结果的高度方向上有一个投影分量。权值矩阵，通过对组合系统的Kalman滤波的观测噪声协方差阵进行加权，实现自适应滤波，减小多路径干扰对组合系统数据融合精度的影响。算法流程图如图3所示。5 测试结果本文将上述技术在实时GNSS/MEMS INS组合导航系统中实现并于2011年1月10日进行了

12、车载试验，采集了原始数据，分别将采用气压计辅助抗多径技术的算法与不采用气压计辅助抗多径技术时的算法对车载试验的原始数据进行离线处理，将导航结果显示在google earth上，如图4和图5所示。在高楼附近存在多径信号干扰的情况下，通过图5轨迹图的放大对比，可以看出，采用气压计辅助的轨迹基本正常，而不采用时的轨迹已经明显偏离了实际道路，采用气压计辅助后的导航误差要明显小于未采用的情况。图4.a 未采用气压计辅助抗多径技术的轨迹图图4.b 采用气压计辅助抗多径技术的轨迹图高楼图5 两种算法的轨迹图对比（放大）采用RTS后处理反向平滑结果作为参考结果，则两种算法的误差曲线如图6和图7所示，RMS误差

13、统计结果如表1所示：第二届中国卫星导航学术年会 CSNC2011)m东向位置误差(差误置位向东GPS Time - 9.798000e+004(sec)m北向位置误差(差误置位向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)m天向位置误差(差误置位向天GPS Time - 9.798000e+004(sec)图6.a 三维位置误差)s/东向速度误差m(差误度速向东GPS Time - 9.798000e+004(sec)s/北向速度误差m(差误度速向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)s/天向速度误差m(差误度速向天GPS Time - 9.798000e

14、+004(sec)图6.b 三维速度误差)g航向角误差ed(差误角向航GPS Time - 9.798000e+004(sec)g俯仰角误差ed(差误角仰俯GPS Time - 9.798000e+004(sec)g横滚角误差ed(差误角滚横GPS Time - 9.798000e+004(sec)图6.c 三维姿态误差图6 未采用气压计辅助抗多径技术的误差)m东向位置误差(差误置位向东GPS Time - 9.798000e+004(sec)m北向位置误差(差误置位向北GPS Time - 9.798000e+004(sec)m天向位置误差(差误置位向天GPS Time - 9.798000

15、e+004(sec)图7.a 三维位置误差第二届中国卫星导航学术年会 CSNC2011北向速度误差(m/s)东向速度误差(m/s)东向速度误差GPS Time - 9.798000e+004(sec)北向速度误差从表1的统计结果可以看出，未采用气压计辅助抗多径技术时，位置误差RMS值：东向1.43m，北向1.24m，天向2.27m；而采用气压计辅助抗多径技术后，位置误差RMS值：东向1.05m，约提高30%，北向0.73m，约提高40%，天向1.57m，约提高30%；速度和姿态也有不同程度的提高。通过多次车载实验，采用气压计辅助抗多径技术后，系统在多径情况下的动态定位精度优于3m（rms），三

16、维姿态精度优于1度（rms）。GPS Time - 9.798000e+004(sec)天向速度误差天向速度误差(m/s)GPS Time - 9.798000e+004(sec)图7.b 三维速度误差航向角误差(deg)6 结论本文提出的这种气压计辅助的抗多径自适应滤波技术，便于在实时GNSS/MEMS INS组合导航系统中实现，只需增加一个低成本的气压高度计，通过数据融合算法就可以抑制多路径误差对组合导航结果的影响。实际车载测试表明，上述方法可将多径干扰对系统定位误差的影响减少约30%，使系统在多径情况下的动态定位精度优于3m（rms），三维姿态精度优于1度（rms）。航向角误差GPS T

17、ime - 9.798000e+004(sec)俯仰角误差GPS Time - 9.798000e+004(sec)横滚角误差横滚角误差(deg)俯仰角误差(deg)GPS Time - 9.798000e+004(sec)图7.c 三维姿态误差图7 采用气压计辅助抗多径技术的误差References (参考文献)1 Elliott.Kaplan Christopher J.Hegarty, GPS原理与应用M（第二版），寇艳红译，北京: 电子工业出版社, 2007: P208-2212 Pratap Misra, Per Enge. 全球定位系统信号、测量与性能M（第二版）. 罗鸣, 曹冲, 肖雄兵, 译. 北京: 电子工业出版社, 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