一种车载组合导航系统和定位方法技术方案

本发明专利技术提供一种车载组合导航系统，包括惯性测量器件，包括陀螺仪和加速度计；卫星导航模块、里程计和组合导航计算机，组合导航计算机与所述惯性测量器件、卫星导航模块、里程计均相连，且其上安装惯性导航子系统和卡尔曼滤波器；惯性导航子系统对惯性导航信号进行惯性导航解算得到惯性导航参数；卡尔曼滤波器可切换地以卫星导航模块提供的信息或以里程计提供的载体运动速度为观测信号动态估计惯性导航参数的误差，并根据误差来校正导航参数。本发明专利技术的车载组合导航系统采用惯性导航、卫星导航和里程计结合，使其能在卫星导航信号良好区域提高惯性导航的解算精度，并在卫星导航定位精度降低或不可用的区域，仍然能够为车辆提供高精度的位置信息。

A vehicle integrated navigation system and positioning method

【技术实现步骤摘要】
一种车载组合导航系统和定位方法
本专利技术涉及一种导航系统和定位方法，具体涉及一种车载组合导航系统和定位方法。
技术介绍
导航定位是保障人类交通及军事活动的重要手段，在车辆、飞行器、舰船甚至水下航行器控制中发挥着关键作用。例如，在铁路列车控制系统中，实时高精度得获知列车位置是列控系统的基本需求。特别是在列车运行速度越来越快、列次密度越来越高的情况下，要安全高效地监控管理全网列车，离不开高精度列车定位方法和设备的支持。再例如，自动驾驶汽车也离不开高精度的位置信息获取技术。当前，高精度的陆上车辆定位，主要采用卫星导航定位技术。卫星导航(GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem)是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术，常见的卫星导航系统有美国的GPS系统，中国的北斗导航系统等。卫星导航具有全天候、高精度等优点，但其也存在若干不足。首先，卫星导航信号易被遮蔽，在室内、隧道、城市高楼林立路面等场景下定位精度恶化甚至失效的问题；其次，卫星导航的输出频率有限，一般为1Hz到5Hz，不能满足一些快速、机动性强的场景下的需求。为了弥补卫星导航定位输出频率不足和在部分场景下可用性降低的问题，出现了卫星导航与惯性导航结合的组合导航技术。惯性导航系统(INS，InertialNavigationSystem)也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统。惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测量到的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。在惯性导航系统中，一般由测量姿态变化的陀螺仪和测量加速度变化的加速度计组成。对陀螺仪的输出就行处理，可以得到运动提的当前姿态信息。对加速度计测量到的运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。其中，激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。对于车辆导航定位设备来说，激光陀螺虽然可以提供更好的定位精度，但是由于其高昂的价格限制了其应用领域的拓展。惯性导航系统按照惯性测量单元在运载体上的安装方式，分为平台式惯性导航系统(惯性测量单元安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性测量单元直接安装在运载体上)。后者省去平台，仪表工作条件不佳(影响精度)，计算工作量大。目前，对于车辆导航定位设备，由低成本的MEMS(微机电系统)惯性测量器件(IMU，包括陀螺仪和加速度计等)组成的捷联惯导是主要的应用方式，随着MEMS惯性器件的精度越来越高，基于MEMS的捷联惯导设备将会越来越普及。惯性导航系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。但是，惯性导航系统存在一些缺点：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格较昂贵；4、不能给出时间信息。由于卫星导航与惯性导航各自的优缺点具有很强的互补性，将卫星导航与惯性导航结合在一起的组合导航技术近年来获得的广泛的应用【严恭敏.车载自主定位定向系统研究[D].西安：西北工业大学，2006】、【胡高歌,刘逸涵,高社生,杨一.改进的强跟踪UKF算法及其在INS/GPS组合导航中的应用[J].中国惯性技术学报,2014,22(5):634-639】、【张倩.基于MEMS的无人机GPS/SINS组合导航[D].北京理工大学，2015】以及【JaradatM.,A.-Hafez.M.ImprovingMEMS-IMU/GPSintegratedsystemsforlandvehiclenavigationapplications[J].IEEESensorsJournal,2014,14(5):1545–1554】。GNSS/INS组合导航系统用组合导航算法将惯性导航单元的信息和卫星导航系统的信息进行综合，来补偿惯性元件的误差，修正载体的位置、速度、姿态信号，从而构成一个高精度、结构紧凑、成本低廉的组合导航系统。但是，GNSS/INS组合导航系统在实际应用中，依然存在问题。在GNSS信号较弱或丢失的区域，没有了GNSS提供准确的参考信号，INS只能单独导航，这时INS的误差将会不断累积，导致定位误差发散。对于一些对精度要求较高，且会经历卫星导航系统不可用的区域的场景，GNSS/INS组合导航系统就变得不再适用。例如，上文提到的列车，可能会经过山谷、隧道或有顶棚的车站车场等卫星导航精度降低或不可用的区域，此时GNSS/INS组合导航将不能提供足够的精度。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种新的组合导航方法和设备，来解决卫星导航和惯性导航结合的组合导航系统在卫星导航可用性降低或不可用时的高精度定位问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种车载组合导航系统，其安装于一载体上，包括：惯性测量器件，包括陀螺仪和加速度计；卫星导航模块，设置为接收和处理卫星导航信号；里程计，设置为输出载体运动速度；和组合导航计算机，其与所述惯性测量器件、卫星导航模块、里程计均相连，且其上安装有惯性导航子系统和卡尔曼滤波器；惯性导航子系统设置为对惯性测量器件所测量的惯性导航信号进行惯性导航解算得到惯性导航参数；卡尔曼滤波器设置为可切换地以卫星导航模块提供的位置、速度信息或以里程计提供的载体运动速度为观测信号，来动态估计惯性导航参数的误差，并根据此误差来校正惯性导航参数。所述卫星导航模块包括卫星导航天线、差分数传天线，以及与卫星导航天线和差分数传天线均相连的卫星导航板卡。所述陀螺仪为MEMS陀螺仪，所述加速度计为MEMS加速度计，且所述惯性导航子系统为捷联惯导系统。另一方面，本专利技术提供一种车载组合导航定位方法，包括：S1：在一载体上搭建根据上文所述的车载组合导航系统，完成车载组合导航系统的初始化和对准，并完成车载组合导航系统的卡尔曼滤波器的初始参数的设置；S2：采用所述车载组合导航系统的陀螺仪测量到载体坐标系的角速度，采用所述车载组合导航系统的加速度计测量到载体坐标系的比力，随后采用惯性导航子系统进行惯性导航解算并输出惯性导航参数，惯性导航参数包括姿态、速度和位置；S3：采用所述车载组合导航系统的卫星导航模块接收卫星导航信号，并判断是否存在可用的卫星导航信号；S4：根据判断结果，当存在可用的卫星导航信号时，处理该卫星导航信号，得到卫星导航模块测量到的载体的位置和速度，并执行卫星导航模块与惯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车载组合导航系统，其安装于一载体上，其特征在于，包括：/n惯性测量器件(1)，包括陀螺仪(11)和加速度计(12)；/n卫星导航模块(2)，设置为接收和处理卫星导航信号；/n里程计(3)，设置为输出载体运动速度；和/n组合导航计算机(4)，其与所述惯性测量器件(1)、卫星导航模块(2)、里程计(3)均相连，且其上安装有惯性导航子系统(41)和卡尔曼滤波器(42)；惯性导航子系统(41)设置为对惯性测量器件(1)所测量的惯性导航信号进行惯性导航解算得到惯性导航参数；卡尔曼滤波器(41)设置为可切换地以卫星导航模块(2)提供的位置、速度信息或以里程计(3)提供的载体运动速度为观测信号，来动态估计惯性导航参数的误差，并根据此误差来校正惯性导航参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种车载组合导航系统，其安装于一载体上，其特征在于，包括：
惯性测量器件(1)，包括陀螺仪(11)和加速度计(12)；
卫星导航模块(2)，设置为接收和处理卫星导航信号；
里程计(3)，设置为输出载体运动速度；和
组合导航计算机(4)，其与所述惯性测量器件(1)、卫星导航模块(2)、里程计(3)均相连，且其上安装有惯性导航子系统(41)和卡尔曼滤波器(42)；惯性导航子系统(41)设置为对惯性测量器件(1)所测量的惯性导航信号进行惯性导航解算得到惯性导航参数；卡尔曼滤波器(41)设置为可切换地以卫星导航模块(2)提供的位置、速度信息或以里程计(3)提供的载体运动速度为观测信号，来动态估计惯性导航参数的误差，并根据此误差来校正惯性导航参数。


2.根据权利要求1所述的车载组合导航系统，其特征在于，所述卫星导航模块(2)包括卫星导航天线(21)、差分数传天线(22)，以及与卫星导航天线(21)和差分数传天线(22)均相连的卫星导航板卡(23)。


3.根据权利要求1所述的车载组合导航系统，其特征在于，所述陀螺仪(11)为MEMS陀螺仪，所述加速度计(12)为MEMS加速度计，且所述惯性导航子系统(41)为捷联惯导系统。


4.一种车载组合导航定位方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在一载体上搭建根据权利要求1-3之一所述的车载组合导航系统，完成车载组合导航系统的初始化和对准，并完成车载组合导航系统的卡尔曼滤波器(41)的初始参数的设置；
步骤S2：采用所述车载组合导航系统的陀螺仪(11)测量到载体坐标系的角速度，采用所述车载组合导航系统的加速度计(12)测量到载体坐标系的比力，随后采用惯性导航子系统(41)进行惯性导航解算并输出惯性导航参数，惯性导航参数包括姿态、速度和位置；
步骤S3：采用所述车载组合导航系统的卫星导航模块(2)接收卫星导航信号，并判断是否存在可用的卫星导航信号；
步骤S4：根据判断结果，当存在可用的卫星导航信号时，处理该卫星导航信号，得到卫星导航模块(2)测量到的载体的位置和速度，并执行卫星导航模块(2)与惯性导航子系统(41)的组合导航解算，否则进行惯性导航子系统(41)与里程计(3)的组合导航解算；
步骤S5：得到所述车载组合导航系统的卡尔曼滤波器(42)，包括：
步骤S51：确定卡尔曼滤波器(42)的状态方程；
步骤S52：确定卡尔曼滤波器(42)的状态方程的状态转移矩阵F(t)、系统噪声分配矩阵G(t)和系统白噪声矢量W(t)；
步骤S53：进行系统的离散化和卡尔曼滤波，得到更新的卡尔曼滤波的状态向量；
步骤S6：根据更新的卡尔曼滤波的状态向量，对惯性导航参数进行校正，该校正包括平台角、速度、位置，以及陀螺仪零偏和加速度计零偏的校正。


5.根据权利要求4所述的车载组合导航定位方法，其特征在于，所述惯性导航解算包括姿态更新解算、速度更新解算和位置更新解算，所述姿态更新解算采用四元数法，或者旋转向量法进行，所述速度更新解算利用加速度计(12)测量到的载体坐标系的比力来计算，位置更新结算包括根据导航坐标系的位置的变化速度对导航坐标系的位置进行更新。


6.根据权利要求4所述的车载组合导航定位方法，其特征在于，在所述步骤S4中，执行卫星导航模块(2)与惯性导航子系统(41)的组合导航...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘立刚，马润泽，周斌，陆犇，丁华泽，纪立，曹蓉，何为，李凤荣，魏智，胡育昱，
申请(专利权)人：上海瀚所信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31