具有噪声降低和故障保护的传感器数据融合系统的制作方法

1.本公开整体涉及地理空间定位和导航系统中所使用的传感器，并且具体地，涉及被配置为产生表示同一物理变量(例如，由于重力而产生的加速度)的测量的融合传感器数据的合成传感器。


背景技术：

2.重力异常参考导航系统通过参考平台相对于重力异常地图/数据库的位置而提供导航辅助。典型的导航系统基于来自惯性测量单元的测量确定导航方案。然而，惯性测量单元由于惯性导航算法内的集成而产生随着时间增加的误差。重力异常参考导航系统被配置为使基于来自惯性测量单元的测量的导航解决方方案与重力异常测量混合。通常，使用重力计(其为用于测量“指定力”的仪器)获得重力异常测量。指定力被定义为每单位质量的非重力的力。以米/秒平方(m/sec2)(即，加速度的单位)测量指定力(也被称为“g力”)。由此，指定力是加速度类型。
3.全球定位系统(gps)与全球导航卫星系统(gnss)比重力异常参考导航系统的使用更为广泛。然而，与重力异常参考导航系统相比较，gps与gnss信号更易于受外部干扰的影响。具体地，gps与gnss信号的功率低，由此使得其易于受到甚至非常低的功率干扰的破坏。例如，可能由于被称为“拥堵”的干扰而引起gps失效(denial)。相反，重力异常参考导航系统抗干扰。因此，当gps与gnss系统不可用时(诸如基于视觉的导航、天体导航、地形参考导航、基于机会信号的pnt等的多种其他“互补”或“可替代”定位、导航、以及跟踪(pnt)方案之中)，可以使用重力异常参考导航系统作为可替代或补充方案。
4.在一种具体的重力异常参考导航系统中，重力计具有不可接受的噪声等级(例如，25micro-g/sqrt(hz))，但是，具有可接受的偏压电平(例如，1micro-g)。(单位g等于9.80665m/sec2。)


技术实现要素：

5.下面一些细节中公开的主题涉及提供噪声降低和故障保护的传感器数据融合系统。根据一些实施例，传感器数据融合系统对由具有不同属性的相应加速计获取的数据进行融合。在一个实施例中，当测量指定力时，一个加速计具有低噪声和高偏压，而另一加速计具有高噪声和低偏压。在所提出的一个实现方式中，高噪声、低偏压加速计是重力计。
6.重力计与传统的加速计测量同一物理变量。传统的加速计通常具有非常低的噪声(被称为速率随机游走；例如，1micro-g/sqrt(hz))，但是，具有比重力计的对应水平更高的偏压重复性/稳定性水平(例如，30micro-g)。通过对昂贵的重力计与低成本的加速计进行组合，可以实现具有低噪声和低偏压的合成传感器系统(以下称为“传感器数据融合系统”)。
7.下面一些细节中公开的主题进一步涉及一种使用该传感器数据融合系统以实现改善的导航性能的重力异常参考导航系统。更具体地，对来自噪声重力计与低噪声的加速
计的测量数据进行混合，以实现两种益处：(1)降低噪声而改善性能；和(2)故障保护。
8.如此处使用的，术语“传感器数据融合”指对传感器数据进行组合，以使得合成信息比单独使用传感器的情况具有更低的不确定性。在这种情况下，术语“不确定性降低”指更准确、更完整或更加可靠。如此处使用的，术语“高”和“低”指相对，而非绝对术语。例如，高噪声比低噪声大并且高偏压比低偏压大。
9.尽管将在下面一些细节中描述借助于导航来测量施加在移动平台上的指定力的传感器数据融合系统的各个实施例，然而，其一个或多个实施例可以表征为下列一个或多个实施例。
10.下面详细公开的主题的一个实施例是传感器数据融合系统，包括：第一加速计，具有低噪声和高偏压；第二加速计，具有高噪声和低偏压(例如，重力计)；第一减法器，连接为接收来自第一加速计的信号和来自第二加速计的信号并且被配置为输出表示来自第一加速计的信号和来自第二加速计的信号之间的差的第一差值信号；第一滤波器，连接为接收由第一减法器输出的第一差值信号并且被配置为输出表示第一加速计和第二加速计的估计相对偏压的信号；以及第二减法器，连接为接收来自第一加速计的信号和来自第一滤波器的信号并且被配置为输出表示来自第一加速计的信号和第一滤波器的信号之间的差的第二差值信号。第二差值信号具有低噪声和低偏压。
11.根据一些实施例，紧跟前一段落描述的传感器数据融合系统进一步包括：故障检测器，连接为接收第一差值信号，并且如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则被配置为输出故障真信号。
12.根据其他实施例，传感器数据融合系统进一步包括：第三加速计，具有低噪声和高偏压；第三减法器，连接为接收来自第二加速计和第三加速计斐然信号并且被配置为输出表示来自第二加速计的信号和来自第三加速计的信号之间的差的第三差值信号；第二滤波器，连接为接收由第三减法器输出的第三差值信号并且被配置为输出表示第二加速计和第三加速计的估计相对偏压的信号；以及第四减法器，连接为接收来自第三加速计的信号和来自第二滤波器的信号并且被配置为输出表示来自第三加速计的信号和第二滤波器的信号之间的差的第四差值信号。此外，传感器数据融合系统可以包括：第一故障检测器，连接为接收第一差值信号，并且如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则被配置为输出故障真信号，否则，输出故障假信号；第二故障检测器，连接为接收第三差值信号，并且如果第三差值信号持久地超过指定的差值阈值，则被配置为输出故障真信号，否则，输出故障假信号；以及处理设备，连接至第一故障检测器和第二故障检测器以及第三减法器和第四减法器。处理设备被配置为：如果第一故障检测器输出故障假信号，而第二故障检测器输出故障真信号，则输出第一差值信号；并且如果第一故障检测器输出故障真信号，而第二故障检测器输出故障假信号，则输出第二差值信号。在所提出的一个实现方式中，如果第一故障检测器与第二故障检测器输出相应的故障假信号，处理设备则被进一步配置为输出第一差值信号与第二差值信号的加权和。此外，如果第一故障检测器与第二故障检测器输出相应的故障真信号，处理设备则可以被进一步配置为输出由具有之前估计偏压的第一加速计和第三加速计输出的信号的加权和。
13.下面详细公开的主题的另一实施例是一种用于融合传感器数据的方法，包括：使用具有低噪声和高偏压的第一加速计输出表示在平台的参考系的垂直方向上指定力的第
一测量值的第一测量信号；使用具有高噪声和低偏压的第二加速计输出表示在平台的参考系的垂直方向上指定力的第二测量值的第二测量信号；生成表示第一测量信号与第二测量信号之间的差的第一差值信号；对第一差值信号进行滤波，以产生表示第一加速计和第二加速计的估计相对偏压的偏压估计信号；并且生成表示第一测量信号与偏压估计信号之间的差的第二差值信号。方法可以进一步包括：如果第一差值信号并不持久地超过指定的差值阈值，在导航过程中则使用第一差值信号。
14.下面详细公开的主题的又一实施例是一种用于导航平台的系统，包括：惯性导航系统，被配置为生成导航方案并且包括具有低噪声和高偏压的加速计；重力计，具有高噪声和低偏压；引导和控制系统，通信地耦接至惯性导航系统并且被配置为根据导航方案控制平台；传感器数据融合模块，被配置为从加速计和重力计的输出生成表示相对偏压估计的偏压估计信号，并且然后，生成表示通过从加速计的输出中减去偏压估计信号而推导的加速计的校正输出的信号；时间匹配缓冲器，通信地耦接至惯性导航系统并且被配置为利用时间标记存储表示平台的位置、速率以及姿态的数据；重力异常数据库，存储在非易失性的有形计算机可读存储介质中；重力计输出预测器，通信地耦接为从时间匹配缓冲器接收平台的加时间标记的位置、速率以及姿态并且从重力异常数据库中检索重力异常数据并且被配置为输出表示重力计的输出的预测的预测信号；残差与矩阵计算模块，通信地耦接为接收预测信号以及加速计的校正输出并且被配置为基于预测信号与加速计的校正输出之间的差生成残差、h矩阵以及r矩阵；以及卡尔曼滤波器，被配置为基于预测信号与加速计的校正输出之间的差生成位置校正并且然后将位置校正发送至惯性导航系统。
15.下面公开了借助于导航测量施加在移动平台上的指定力的传感器数据融合系统的其他实施例。
附图说明
16.可以在各个实施例中独立地实现或可以结合一些其他实施例实现前述部分中所讨论的特征、功能、以及优点。出于示出上述以及其他实施例之目的，下面将参考附图对各个实施方式进行描述。该部分中简要描述的任意示图不按比例进行绘制。
17.图1是识别根据包括低噪声、高偏压加速计，高噪声、低偏压加速计(例如，重力计)以及故障检测器的一个实施例的传感器数据融合系统的部件的框图。
18.图2是识别用于检测图1中所描述的传感器数据融合系统的操作过程中的故障的方法的步骤的流程图。
19.图3是识别根据可替代实施例的包括两个低噪声、高偏压加速计，一个高噪声、低偏压加速计(例如，重力计)，两个故障检测器以及处理设备(或计算设备)的传感器数据融合系统的部件的框图。
20.图4是表示根据示例性实施例的使用基于重力异常的导航来增强惯性导航的系统的架构的示图。
21.下面将参考附图，其中，不同附图中的相似元件具有相同的参考标号。
具体实施方式
22.下面在一些细节中描述了借助于导航测量施加在移动平台上的指定力的传感器
数据融合系统的示出性实施例。然而，本说明书中并非对实际实现方式的所有特征进行描述。本领域技术人员应当认识到，在开发任意这种实际实施例时，必须做出多个实现方式的具体决策来实现开发人员的具体目标，诸如与系统有关和业务有关的约束条件(从一个实现方式到另一实现方式变化)兼容。而且，应当认识到，这种开发努力可能是复杂并且耗时的，但是，无需多言，对于具有本公开的益处的本领域普通技术人员而言，仍然是日常工作。
23.图1是识别根据包括低噪声、高偏压加速计1，高噪声、低偏压加速计2(例如，重力计)以及故障检测器6的一个实施例的传感器数据融合系统20的部件的框图。使用低噪声、高偏压加速计1输出表示在平台(图1中未示出)的参考系的垂直方向上指定力的第一测量值的第一测量信号。使用高噪声、低偏压加速计2输出表示在平台的参考系的垂直方向上指定力的第二测量值的第二测量信号。低噪声、高偏压加速计1的输出是主要输出。使用高噪声、低偏压加速计2来估计低噪声、高偏压加速计1的偏压。(此处，低噪声、高偏压加速计1与高噪声、低偏压加速计2被统称为“加速计1和2”。)
24.图1中描绘的传感器数据融合系统20进一步包括：第一减法器3，连接为从低噪声、高偏压加速计1接收信号并且被配置为输出表示由加速计1和2输出的信号之间的差的第一差值信号。此外，传感器数据融合系统20包括：滤波器4(例如，低通滤波器)，连接为接收由第一减法器3输出的第一差值信号并且被配置为输出表示加速计1和2的估计相对偏压的偏压估计信号。传感器数据融合系统20进一步包括：第二减法器5，连接为接收来自低噪声、高偏压加速计1的信号并且接收来自滤波器4的偏压估计信号并且被配置为输出表示来自低噪声、高偏压加速计1的信号与偏压估计信号之间的差的第二差值信号。第二减法器5通过加速计1与2之间的估计相对偏压对低噪声、高偏压加速计1的输出进行校正。第二差值信号具有低噪声和低偏压。
25.此外，如果任意一个传感器输出故障样本，也能够执行简单的故障保护。图1中描绘的传感器数据融合系统20进一步包括：故障检测器6，连接为从第一减法器3接收第一差值信号。如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，故障检测器6则被配置为输出故障真信号，否则，输出故障假信号。在后者情况下，通过导航系统(图1中未示出)批准使用第一差值信号。
26.图2是识别用于描绘图1中所描绘的传感器数据融合系统20的操作过程中的故障的方法40的步骤的流程图。如之前描述的，第一减法器3确定加速计的输出之间的差(步骤41)。然后，故障检测器6将该差与指示存在故障的指定差值阈值进行比较(步骤42)。然后，确定加速计的输出之间的差是否大于指定的差值阈值(步骤43)。另一方面，如果在步骤43中确定加速计输出的差不大于指定的差值阈值，则对偏压估计进行更新(步骤44)。在这种情况下，将持久性计数器设置为零(步骤45)并且过程返回至步骤41。另一方面，如果在步骤43中确定加速计输出的差大于指定的差值阈值，则不对偏压估计进行更新。而是拒绝加速计输出(步骤46)。然后，持久性计数器的计数增加数字1(步骤47)。然后，故障检测器6将持久性计数与指定的计数阈值进行比较(步骤48)。然后，确定持久性计数是否大于指定的计数阈值(步骤49)。另一方面，如果在步骤49中确定持久性计数不大于指定的计数阈值，过程则返回至步骤41。另一方面，如果在步骤49中确定持久性计数大于指定的计数阈值，则宣布发生故障(步骤50)。
27.图1和图2中所描绘的传感器数据融合方法的结果在于“合成传感器”的偏压与高
噪声、低偏压加速计2(其可以是重力计)的偏压电平大致相同。“合成传感器”的噪声与低噪声、高偏压加速计1的噪声等级大致相同。
28.高偏压、低噪声加速计1可以是其输出能够被建模成如下的传统的导航级加速计：
29.a
hl
＝a bh v
l
30.其中，a是真实的指定力，a
hl
是所测量的指定力，bh是偏压，并且v
l
是噪声。
31.低偏压、高噪声加速计2可以是其输出能够被建模成如下的重力计：
32.a
lh
＝a b
l
vh33.其中，a
lh
是所测量的指定力，b
l
是偏压，并且vh是噪声。
34.减法器3是差分电路，其中，上面两个输出a
hl
和a
lh
是有差异的，其能够被建模成如下：
35.δa＝a
hl-a
lh
＝(b
h-b
l
) (v
l
vh)
36.滤波器4可以是保持(b
h-b
l
)的缓慢变化值并且滤除大部分噪声的低通滤波器。在低通滤波之后，能够将滤波输出建模成如下：
37.δaf＝lpf(δa)≈(b
h-b
l
)
38.减法器5使用“估计相对偏压”对来自高偏压、低噪声加速计1的输出a
hl
进行校正并且产生具有较小偏压和较小噪声的输出，其能够被建模成如下：
39.a
ll
＝a
hl-δaf≈a bh v
l-(b
h-b
l
)＝a b
l
v
l
40.故障检测器6被配置为通过检查上限与下限的相对差δa而执行故障检测。如果值超过任意极限，则持久性计数器增加数字一并且还指示滤波器4不使用样本作为“遏制措施”。如果持久性计数超过指定的计数阈值，则检测并且宣布发生故障。
41.出于后面简化描述之目的，将术语“融合方案”定义为如下：
42.[fused_output,bias_est,fault]＝fused_solution(加速计、重力计)
[0043]
根据一个可替代的实施例，滤波器4可以是卡尔曼滤波器，而非低通滤波器。根据其他实施例，还能够使用互补滤波。例如，可以通过高通滤波器对低噪声、高偏压加速计1的输出进行滤波，而通过低通滤波器对高噪声、低偏压加速计2的输出进行滤波。组合提供优化的性能。
[0044]
图3是识别包括根据可替代实施例的两个低噪声、高偏压加速计1和1a，一个高噪声、低偏压加速计2(例如，重力计)，两个滤波器4和4a，两个故障检测器6和6a以及处理设备8(或计算设备)的传感器数据融合系统30的部件的框图。包括两个低噪声、高偏压加速计1和1a，以允许投票表决(voting)不仅检测故障而且还隔离故障，并且还允许进一步降低噪声。
[0045]
使用低噪声、高偏压加速计1输出表示在平台(图3中未示出)的参考系的垂直方向上指定力的第一测量值的第一测量信号。使用高噪声、低偏压加速计2(例如，重力计)输出表示在平台的参考系的垂直方向上指定力的第二测量值的第二测量信号。使用低噪声、高偏压加速计1a输出表示在平台的参考系的垂直方向上指定力的第三测量值的第三测量信号。
[0046]
图3中所描绘的传感器数据融合系统30进一步包括：第一减法器3，连接为从低噪声、高偏压加速计1接收信号。第一减法器3被配置为输出表示由加速计1和2输出的信号之间的差的第一差值信号。滤波器4(例如，低通滤波器)连接为接收由第一减法器3输出的第
一差值信号。滤波器4被配置为输出表示加速计1和2的估计相对偏压的偏压估计信号。传感器数据融合系统30进一步包括：第二减法器5，连接为从低噪声、高偏压加速计1接收信号并且从滤波器4接收偏压估计信号。第二减法器5被配置为输出表示来自低噪声、高偏压加速计1的信号与来自滤波器4的偏压估计信号之间的差的第二差值信号。第二减法器5通过加速计1与2之间的估计相对偏压对低噪声、高偏压加速计1的输出进行校正。第二差值信号具有低噪声和低偏压。
[0047]
此外，传感器数据融合系统30包括：第三减法器3a，连接为从低噪声、高偏压加速计1a接收信号。第三减法器3a被配置为输出表示由加速计1a和2输出的信号之间的差的第三差值信号。滤波器4a(例如，低通滤波器)连接为接收由第三减法器3a输出的第三差值信号。滤波器4a被配置为输出表示加速计1a和2的估计相对偏压的偏压估计信号。传感器数据融合系统30进一步包括：第四减法器5a，连接为从低噪声、高偏压加速计1a接收信号并且从滤波器4a接收偏压估计信号。第四减法器5a被配置为输出表示来自低噪声、高偏压加速计1a的信号与来自滤波器4a的偏压估计信号之间的差的第四差值信号。第四减法器5a通过加速计1a与2之间的估计相对偏压对低噪声、高偏压加速计1a的输出进行校正。第四差值信号具有低噪声和低偏压。
[0048]
此外，如果任意一个传感器输出故障样本，则执行故障保护算法来确定适当的响应。图3中所描绘的传感器数据融合系统20进一步包括：故障检测器6，连接为从第一减法器3接收第一差值信号；和故障检测器6a，连接为从第三减法器3a接收第三差值信号。如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，故障检测器6则被配置为输出故障真信号，否则，输出故障假信号。同样，如果第三差值信号持久地超过指定的差值阈值，故障检测器6a则被配置为输出故障真信号，否则，输出故障假信号。(如此处使用的，术语“故障假信号”指表示“未宣布发生故障”的状态的信号；相反，术语“故障真信号”指表示“宣布发生故障”状态的信号。)
[0049]
根据所提出的一个实现方式，处理设备8被配置为根据由故障检测器6和6a检测的加速计的故障状态而执行选择三种可用方案中的任意一种方案的算法。使用之前描述的符号，将方案1、2以及3定义为如下：
[0050]
[方案1,bias_est1,fault1]＝fused_solution(加速计1,重力计)
[0051]
[方案2,bias_est2,fault2]＝fused_solution(加速计2,重力计)
[0052]
方案3＝(w)方案1 (1
–
w)方案2[0053]
其中，w是具有0与1之间的范围内的值的加权因子。
[0054]
当由处理设备8执行时，方案选择算法根据故障条件选择下列中的一个响应：
[0055]
(1)如果故障检测器6和6a输出相应的故障假信号，处理设备8则输出供导航系统使用的第一差值信号与第二差值信号的加权和(方案3)。
[0056]
(2)如果故障检测器6输出故障真信号，而故障检测器6a输出故障假信号，处理设备8则输出供导航系统使用的第四差值信号(方案2)。
[0057]
(3)如果故障检测器6输出故障假信号，而故障检测器6a输出故障真信号，处理设备8则输出供导航系统使用的第二差值信号(方案1)。
[0058]
(4)如果故障检测器6和6a输出相应的故障真信号，处理设备8则输出由具有之前估计偏压的第一加速计和第三加速计输出、供导航系统使用的信号的加权和。该故障状态
指示高噪声、低偏压加速计2发生故障，因此，故障检测器6和6a被进一步配置为禁用来自方案1和2的高噪声、低偏压加速计2的输入，并且使用方案3作为输出。在无来自高噪声、低偏压加速计2的更新的情况下，能够以之前的估计偏压使用方案1、2以及3。
[0059]
图4是表示根据示例性实施例的使用基于重力异常的导航来增强惯性导航的导航系统10的架构的示图。导航系统10被配置为确定平台34(例如，飞机)在地球的参考系(诸如ecef参考系)中的位置。可以通过被配置为提供下面所述功能的相应模块执行全部数据处理步骤。每个模块可以包括被编程为根据相应的软件程序执行指令的一个或多个处理器。
[0060]
导航系统10包括导航计算机系统7、惯性测量单元11(以下称为“imu11”)、以及重力计21(或其他重力异常检测器)，全部安装至平台34。导航计算机系统7通过imu接口12与imu 11进行电子通信并且通过重力计接口22与重力计21进行电子通信。导航计算机系统7还通过平台接口33与平台34上的运动控制系统进行电子通信。
[0061]
导航计算机系统7包括选自于微处理器、微控制器、数字信号处理器、微计算机、中央处理单元、专用集成电路、场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路、模拟电路以及数字电路中的一个或多个设备。在计算机设备处于软件控制的情况下，计算机设备运行存储在非临时性的有形计算机可读存储介质中的可操作指令。根据一个实施例，导航计算机系统7包括具有由用于执行本文所述的功能和过程的相应处理器可执行的代码的软件模块。
[0062]
在图4所描绘的实施例中，导航计算机系统7包括连接至imu接口12的imu抽象模块13和连接至imu抽象模块13的惯性导航模块14，从而实现惯性导航。导航计算机系统7进一步包括：平台引导和控制模块31，连接为接收来自惯性导航模块14的输出；和平台抽象模块32，连接为接收来自平台引导和控制模块31的输出并且将输入发送至平台接口33。平台引导和控制模块31被配置为使用惯性导航输出来控制平台34，以使得平台34近似水平。(因此，二阶误差假设为真)。
[0063]
导航计算机系统7还包括连接至惯性导航模块14的时间匹配缓冲器15、连接至时间匹配缓冲器15的重力计输出预测器16以及重力异常地图/数据库17(以下称为“重力异常地图/数据库17”)。重力计输出预测器16是这样的模块，该模块被配置为使用来自时间匹配缓冲器15的时间匹配状态和来自重力异常数据库17的重力异常数据来预测重力计21的输出应是什么，因此生成“所预测的传感器输出”。
[0064]
导航计算机系统7进一步包括提供用于校正惯性导航结果的重力异常辅助导航校正能力的部件。重力异常辅助导航校正子系统包括连接至imu接口12和重力计接口22的传感器数据融合模块23、连接至传感器数据融合模块23的融合重力计抽象模块24、连接至融合重力计抽象模块24的残差和矩阵计算模块25、连接至残差和矩阵计算模块25的运动滤波器26、以及连接至运动滤波器26的扩展卡尔曼滤波器27。
[0065]
imu 11包括用于测量加速度的第一多个传感器(例如，具有相互正交的轴的三个加速计)和用于测量平台34的旋转速率的第二多个传感器(例如，具有相互正交的轴的三个陀螺仪)。imu抽象模块13对由imu 11的传感器输出的信号进行处理和编码，以形成表示平台34的旋转速率(或
△
角)和加速度(或
△
速率)的测量的数字数据。通过惯性导航模块14对该旋转和加速度数据进行处理。
[0066]
imu接口12是能够为导航计算系统7提供由imu 11输出的imu数据的电气硬件和软
件接口的组合。imu抽象模块13是一项将imu类型/供应商指定的数据转换成抽象的通用imu数据和接口的软件。即使安装不同类型的imu，该模块也允许惯性导航模块14保持不变。
[0067]
惯性导航模块14是实现典型的“捷联式惯性导航等式”(本领域中公知的)的软件，其将陀螺仪数据(旋转速率或
△
角)集成到姿态中并且将加速计数据(具体来源或
△
速率)转换成诸如eci、ecef、或局部水平系的参考系。然后，将所转换的加速度集成到速率中并且然后集成到位置中。在所提出的一个实现方式中，惯性导航模块14包括考虑地球的旋转将平台34的旋转速率集成到平台34的姿态中的可执行代码。然后，使用平台姿态将平台加速度投射到ecef参考系中。相应地，能够计算由于地球旋转而产生的总平台加速度(包括重力)。然后，将平台加速度集成到平台34的速率中并且对平台速率进行集成来确定平台34在ecef参考系中的位置。
[0068]
时间匹配缓冲器15存储短暂历史的导航状态，包括姿态、速率、位置以及可能其他相关的变量。一旦赋予测量时间标记，则基于缓冲器中可用的数据通过插值法计算对应的状态估计。时间匹配缓冲器15包括利用时间标记将平台的位置、速率、姿态存储到先进先出缓冲器或循环缓冲器中的可执行代码。当提供基于图像测量的时间标记时，时间匹配缓冲器15提供平台34的时间匹配位置、速率以及姿态。将平台34的时间匹配位置、速率以及姿态提供至重力计输出预测器16。
[0069]
重力计输出预测器16是配置有处理从时间匹配缓冲器15接收的平台位置/姿态数据并且从重力异常数据库17中检索重力异常数据的软件的处理器。如之前提及的，重力计输出预测器16生成预期重力计21的输出是什么的预测。重力异常数据库17存储数据，所述数据表示ecef系中作为位置的函数的指定力。
[0070]
重力计21沿着垂直方向测量指定力。重力计21以这样的方式放置在平台34上，即，使得imu 11和重力计21的z轴与局部垂直粗略地对齐。因为平台34非水平上的任意误差仅沿着垂直方向对重力计测量和加速计产生二阶效应，所以平台34不需要非常好的性能。重力计接口22是允许为导航计算机系统7提供重力计数据的电气硬件与软件接口。传感器数据融合模块23执行局部垂直方向的所测量加速计数据与上面参考图1至图3描述的重力计输出的融合。例如，传感器数据融合模块23可以包括图1中所示的减法器3和5、滤波器4以及故障检测器6、或图3中所示的减法器3、3a、5及5a、滤波器4和4a、故障检测器6和6a以及处理设备8。
[0071]
在图4所描绘的实施例中，导航计算机系统7包括连接至传感器数据融合模块23的融合重力计抽象模块24。融合重力计抽象模块24是将重力计类型/供应商指定数据转换成抽象的通用重力计数据和接口的软件。即使使用不同的重力计，该模块也允许下游处理块保持不变。
[0072]
导航计算机系统7进一步包括：残差和矩阵计算模块25，通信地耦接为接收由传感器数据融合模块23生成的所测量指定力(融合方案)以及由重力计输出预测器16生成的所预测的传感器输出。残差和矩阵计算模块25将所预测的指定力与所测量的指定力进行比较，以计算卡尔曼滤波残差。残差r表示所预测的指定力与所测量的指定力之间的差。残差和矩阵计算模块25还计算灵敏度矩阵(h-矩阵)和测量噪声协方差矩阵(r矩阵)。h矩阵指将状态映射至线性化误差等式中的测量的矩阵，指示导航方案中的误差以及卡尔曼滤波器27中的状态如何影响所预测的指定力。r矩阵指示通过加速计采集的测量的不确定性水平和
变量。
[0073]
残差和矩阵在其到达卡尔曼滤波器27的途中经过运动滤波器26。运动滤波器26是滤除由于平台运动所产生的指定力的低通滤波器。通常，滤波器的带宽如此低，以至于只剩下重力。滤除主要由运动产生的加速度。
[0074]
导航计算机系统7包括接收表示残差和h以及r矩阵的运动滤波数据的卡尔曼滤波器27。卡尔曼滤波器27被配置为基于所接收的残差和矩阵生成位置、速率以及姿态校正。此外，卡尔曼滤波器27对被发送至imu抽象模块13并且由imu抽象模块13应用的imu校正(诸如偏压、缩放因子、未对准校正)进行估计。将卡尔曼滤波估计的位置、速率以及姿态误差发送至惯性导航模块14并且由惯性导航模块14应用卡尔曼滤波估计的位置、速率以及姿态误差来生成导航方案。在所提出的一个应用中，将导航方案发送至平台引导和控制模块31(例如，平台34是飞机的情况下的飞行控制器或自动驾驶仪)，平台引导和控制模块31被配置为至少部分基于所接收的导航方案而控制平台34的移动。卡尔曼滤波器27保持状态的协方差矩阵。卡尔曼滤波器27被配置为使用h和r矩阵计算增益、使用增益残差生成校正、并且在更新之后使用增益矩阵、r矩阵以及当前协方差矩阵计算协方差矩阵。阿尔曼滤波器27还将数据输出至融合重力计抽象模块24，以根据需要对重力计误差进行校正。
[0075]
总之，重力异常辅助导航系统包括产生ecef系中的不同位置处的指定力测量的时间序列的重力计21。在重力异常辅助导航校正能力操作的同时，imu 11生成惯性导航信息的时间序列(以下称为“imu数据”)。惯性导航算法(在惯性导航模块14中执行)被配置为对imu数据进行分析，以产生表示平台的变化位置的所估计惯性导航方案的时间序列。至少部分基于通过比较由基于重力异常的导航系统所确定的位置与由惯性导航系统所确定的位置而推导的校正而计算该导航方案。通过卡尔曼滤波器27对来自惯性导航系统与基于重力异常的导航系统的相应数据进行融合。由此，所产生的导航方案考虑了校正。
[0076]
此处已经将特定系统、装置、应用或过程描述为包括多个模块。模块可以是以软件、硬件或其组合实现的明显的功能性的单元，优选实现为硬件或固件以能够实现此处所公开的流式计算的那些模块除外。当通过软件在任意零部件中执行模块的功能时，模块能够包括非临时性的有形计算机可读存储介质。
[0077]
尽管已经参考各个实施例描述了借助于导航测量施加在移动平台上的指定力的传感器数据融合系统，然而，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离此处的教导的情况下，可以做出各种改变并且等同物可以代替其元件。此外，可以做出多种改造，以使此处公开的实践的构思与简化适应具体的情形。相应地，其旨在使得由权利要求覆盖的主题并不局限于所公开的实施例。
[0078]
上面公开的实施例使用一个或多个处理或计算设备。这样的设备通常包括处理器或控制器，诸如通用中央处理单元、微控制器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、场可编程门阵列、数字信号处理器、和/或能够执行此处所述的功的任意其他数据处理电路。此处所描述的方法可以被编码成涵盖在非临时性的有形计算机可读存储介质中的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或记忆设备。当由处理设备执行时，该指令使处理设备执行此处所描述的方法的至少一部分。
[0079]
下面所阐述的方法权利要求不应被视为必须按照阿拉伯字母顺序(权利要求中的任意阿拉伯字母排序仅用于参考之前阐述的步骤之目的)或按照其中所阐述的顺序执行此
处阐述的步骤，除非权利要求语言或支持描述规定指示其中执行一些或全部这些步骤的具体顺序的条件。方法权利要求也不应被视为排除并行或交替执行的两个或多个步骤的任意步骤，除非权利要求语言或支持描述规定排除这种解释的条件。
[0080]
本公开包括下列项中所描述的主题：
[0081]
第1项.一种传感器数据融合系统(20)，包括：
[0082]
第一加速计(1)，具有低噪声和高偏压；
[0083]
第二加速计(2)，具有高噪声和低偏压；
[0084]
第一减法器(3)，连接为接收来自第一加速计的信号和来自第二加速计的信号并且被配置为输出表示来自第一加速计的信号和第二加速计的信号之间的差的第一差值信号；
[0085]
第一滤波器(4)，连接为从第一减法器接收第一差值信号并且被配置为输出表示第一加速计和第二加速计的估计相对偏压的信号；以及
[0086]
第二减法器(5)，连接为接收来自第一加速计的信号和来自第一滤波器的信号并且被配置为输出表示来自第一加速计的信号和来自第一滤波器的信号之间的差的第二差值信号。
[0087]
第2项.根据第1项所述的传感器数据融合系统，其中，第二加速计是重力计。
[0088]
第3项.根据第1项或第2项所述的传感器数据融合系统，其中，第二差值信号具有低噪声和低偏压。
[0089]
第4项.根据上述条项中任一项所述的传感器数据融合系统，其中，滤波器被配置为在使表示估计相对偏压的信号通过的同时滤除大部分噪音。
[0090]
第5项.根据第4项所述的传感器数据融合系统，其中，滤波器是低通滤波器。
[0091]
第6项.根据第4项所述的传感器数据融合系统，其中，滤波器是卡尔曼滤波器。
[0092]
第7项.根据上述条项中任一项所述的传感器数据融合系统，进一步包括：故障检测器(6)，连接为接收第一差值信号，并且如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则故障检测器被配置为输出故障真信号。
[0093]
第8项.根据上述条项中任一项所述的传感器数据融合系统，进一步包括：
[0094]
第三加速计(a)，具有低噪声和高偏压；
[0095]
第三减法器(3a)，连接为接收来自第二加速计的信号和来自第三加速计的信号并且被配置为输出表示来自第二加速计的信号和来自第三加速计的信号之间的差的第三差值信号；
[0096]
第二滤波器(4a)，连接为接收由第三减法器输出的第三差值信号并且被配置为输出表示第二加速计和第三加速计的估计相对偏压的信号；以及
[0097]
第四减法器(5a)，连接为接收来自第三加速计的信号和来自第二滤波器的信号并且被配置为输出表示来自第三加速计的信号和来自第二滤波器的信号之间的差的第四差值信号。
[0098]
第9项.根据第8项所述的传感器数据融合系统，其中，第二加速计是重力计。
[0099]
第10项.根据第8项所述的传感器数据融合系统，进一步包括：
[0100]
第一故障检测器(6)，连接为接收第一差值信号，并且被配置为如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则输出故障真信号，否则，输出故障假信号；
[0101]
第二故障检测器(6a)，连接为接收第三差值信号，并且被配置为如果第三差值信号持久地超过指定的差值阈值，则输出故障真信号，否则，输出故障假信号；以及
[0102]
处理设备(8)，连接至第一故障检测器和第二故障检测器以及第三减法器和第四减法器，其中，处理设备被配置为：
[0103]
如果第一故障检测器输出故障假信号，而第二故障检测器输出故障真信号，则输出第一差值信号；并且
[0104]
如果第一故障检测器输出故障真信号，而第二故障检测器输出故障假信号，则输出第二差值信号。
[0105]
第11项.根据第10项所述的传感器数据融合系统，其中，如果第一故障检测器与第二故障检测器输出相应的故障假信号，择处理设备则进一步被配置为输出第一差值信号与第二差值信号的加权和。
[0106]
第12项.根据第10项所述的传感器数据融合系统，其中，如果第一故障检测器和第二故障检测器输出相应的故障真信号，则处理设备进一步被配置为输出由具有之前估计偏压的第一加速计和第三加速计输出的信号的加权和。
[0107]
第13项.一种用于融合传感器数据的方法，包括：
[0108]
使用具有低噪声和高偏压的第一加速计(1)输出第一测量信号，第一测量信号表示在平台的参考系的垂直方向上的指定力的第一测量值；
[0109]
使用具有高噪声和低偏压的第二加速计(2)输出第二测量信号，第二测量信号表示在平台的参考系的垂直方向上的指定力的第二测量值；
[0110]
生成表示第一测量信号与第二测量信号之间的差的第一差值信号；
[0111]
对第一差值信号进行滤波，以产生表示第一加速计和第二加速计的估计相对偏压的第一偏压估计信号；并且
[0112]
生成表示第一测量信号与第一偏压估计信号之间的差的第二差值信号。
[0113]
第14项.根据第13项所述的方法，进一步包括：如果第一差值信号并不持久地超过指定的差值阈值，在导航过程中则使用第一差值信号。
[0114]
第15项.根据第13项或第14项所述的方法，进一步包括：如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则生成故障真信号。
[0115]
第16项.根据第13项至第15项中任一项所述的方法，进一步包括：
[0116]
使用具有低噪声和高偏压的第三加速计(1a)输出第三测量信号，第三测量信号表示在平台的参考系的垂直方向上的指定力的第三测量值；
[0117]
生成表示第二测量信号与第三测量信号之间的差的第三差值信号；
[0118]
对第三差值信号进行滤波，以产生表示第二加速计和第三加速计的估计相对偏压的第二偏压估计信号；并且
[0119]
生成表示第三测量信号与第二偏压估计信号之间的差的第四差值信号。
[0120]
第17项.根据第16项所述的方法，进一步包括：
[0121]
如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则生成故障真信号，否则，生成故障假信号；
[0122]
如果第三差值信号持久地超过指定的差值阈值，则生成故障真信号，否则，生成故障假信号；并且
[0123]
如果第一差值信号与第二差值信号中的一个差值信号并不持久地超过指定的差值阈值并且第一差值信号与第二差值信号中的另一个差值信号持久地超过指定的差值阈值，在导航过程中则使用第一差值信号与第二差值信号中的一个差值信号。
[0124]
第18项.一种用于导航平台的系统(10)，包括：
[0125]
惯性导航系统(11)，被配置为生成导航方案并且包括具有低噪声和高偏压的加速计(1)；
[0126]
重力计(2)，具有高噪声和低偏压；
[0127]
引导和控制系统(31)，通信地耦接至惯性导航系统并且被配置为根据导航方案控制平台；
[0128]
传感器数据融合模块(23)，被配置为从加速计和重力计的输出生成表示相对偏压估计的偏压估计信号，并且然后，生成表示通过从加速计的输出中减去偏压估计信号而推导的加速计的校正输出的信号；
[0129]
时间匹配缓冲器(15)，通信地耦接至惯性导航系统并且被配置为利用时间标记存储表示平台的位置、速率以及姿态的数据；
[0130]
重力异常数据库(17)，存储在非临时性的有形计算机可读存储介质中；
[0131]
重力计输出预测器(16)，通信地耦接为从时间匹配缓冲器接收平台的加时间标记的位置、速率以及姿态并且从重力异常数据库中检索重力异常数据并且被配置为输出表示重力计的输出的预测的预测信号；
[0132]
残差与矩阵计算模块(25)，通信地耦接为接收预测信号以及加速计的校正输出并且被配置为基于预测信号与加速计的校正输出之间的差生成残差、h矩阵以及r矩阵；以及
[0133]
卡尔曼滤波器(27)，被配置为基于预测信号与加速计的校正输出之间的差生成位置校正并且然后将位置校正发送至惯性导航系统。
[0134]
第19项.根据第18项所述的系统，其中，传感器数据融合模块包括：
[0135]
第一减法器(3)，连接为接收来自加速计的信号和来自重力计的信号并且被配置为输出表示来自加速计和重力计的信号之间的差的第一差值信号；
[0136]
滤波器(4)，连接为接收由第一减法器输出的第一差值信号并且被配置为输出偏压估计信号；以及
[0137]
第二减法器(5)，连接为接收来自加速计的信号和偏压估计信号并且被配置为输出表示来自加速计的信号与偏压估计信号之间的差的第二差值信号。
[0138]
第20项.根据第19项所述的系统，其中，传感器数据融合模块进一步包括：故障检测器(6)，连接为接收第一差值信号，并且如果第一差值信号持久地超过指定的差值阈值，则故障检测器被配置为输出故障真信号。
[0139]
第21项.一种用于导航平台的方法，包括：
[0140]
使用第一加速计(1)输出第一测量信号，第一测量信号表示在平台的参考系的垂直方向上的指定力的第一测量值；
[0141]
使用第一测量信号生成惯性导航方案；
[0142]
使用第二加速计(2)输出第二测量信号，第二测量信号表示在平台的参考系的垂直方向上的指定力的第二测量值；
[0143]
基于第一测量信号与第二测量信号之间的差生成表示所测量的指定力的信号；
[0144]
使用导航状态的历史和重力异常数据库生成表示所预测的指定力的信号；
[0145]
基于所预测的指定力与所测量的指定力之间的差生成惯性导航方案校正；
[0146]
通过对惯性导航方案应用惯性导航方案校正而生成所校正的惯性导航方案；并且
[0147]
根据所校正的惯性导航方案控制平台。
[0148]
第22项.根据第21项所述的方法，其中，第一加速计具有低噪声和高偏压并且第二加速计具有高噪声和低偏压。
[0149]
第23项.根据第22项所述的方法，其中，基于第一测量信号与第二测量信号之间的差生成表示所测量的指定力的信号包括：
[0150]
对差值信号进行滤波，以产生表示第一加速计和第二加速计的估计相对偏压的偏压估计信号；和
[0151]
生成表示第一测量信号与偏压估计信号之间的差的差值信号。