CN101403620A

CN101403620A - 导航装置及方法

Info

Publication number: CN101403620A
Application number: CNA2008101495326A
Authority: CN
Inventors: 章先鑫
Original assignee: Shenzhen Coship Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Coship Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: CN101403620B

Abstract

本发明提供一种导航装置，包括接收GPS信号，并对所述GPS信号解析生成GPS导航数据的GPS模块、采集惯性导航数据的惯性导航模块和根据所述GPS导航数据确定的GPS信号强弱对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正的控制模块，以及以图像或语音方式进行输出的提示模块。本发明还提供一种导航方法，包括步骤：接收GPS导航信号，并解析生成GPS导航数据；采集惯性导航数据；根据所述GPS导航数据确定的GPS信号强弱对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息；输出导航信息。根据GPS信号强弱对GPS导航数据和惯性导航数据进行实时校正，生成导航信息，从而可以提高导航准确性。

Description

导航装置及方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别涉及一种GPS导航与惯性导航结合的导航装置及方法。

背景技术

现有的GPS(Global Position System，全球定位系统)导航装置，通过接收GPS信号实现GPS导航，但由于GPS信号因不同的区域而强弱有所不同，当在GPS信号弱的区域时，GPS导航装置容易导致导航不准确；或者在无GPS信号地区，即所谓的“盲区”时，如桥梁、隧道等地方，则无法进行GPS导航。而解决此问题可以通过惯性导航方式确定具体位置，例如当汽车从GPS信号区进入GPS信号盲区时，通过传感器采集汽车速度、加速度、航向等数据，其中速度数据通过无线方式发送给控制器，加速度和航向数据直接输给控制器，由控制器根据速度、加速度和航向数据进行解析处理，生成惯性导航信息，从而实现在GPS信号盲区惯性导航。

虽然上述GPS导航设备可以通过惯性导航方式在GPS信号盲区进行导航，但这种惯性导航方式需要将汽车速度的数据通过无线方式发射给GPS导航设备，容易受到电磁干扰。同时在GPS导航过程中，由于GPS导航受到卫星的星座图变动的影响，产生漂移且无法进行校正，因而导航的准确性较差。

发明内容

本发明主要的目的在于提供一种可以减少电磁干扰，提高导航准确性的导航装置及方法。

本发明提供一种导航装置，包括：GPS模块，用于接收GPS信号，并对所述GPS信号进行解析，生成GPS导航数据；惯性导航模块，用于采集惯性导航数据；控制模块，根据所述GPS导航数据确定GPS信号强弱对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，生成导航信息；提示模块，以图像或语音方式输出所述导航信息。

优选地，所述惯性导航模块包括：加速度采集单元，与所述控制模块连接，用于实时采集加速度数据；地磁场采集单元，与所述控制模块连接，用于实时采集地磁场数据。

优选地，所述惯性导航模块还包括：气压采集单元，与所述控制模块连接，该气压采集单元用于采集气压信息。

本发明还提供一种导航方法，该导航方法，包括步骤：接收GPS信号，并解析生成GPS导航数据；采集惯性导航数据；根据所述GPS导航数据确定GPS信号强弱，对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息；输出导航信息。

优选地，所述根据GPS导航数据确定GPS信号强弱，对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息的步骤还包括：判断GPS信号强弱；根据GPS信号强弱确定GPS导航权重和惯性导航权重；根据所述GPS导航权重和惯性导航权重对所述GPS导航数据和惯性导航数据进行数据融合，生成导航信息。

优选地，所述对GPS导航数据和惯性导航数据进行数据融合是根据卡尔曼滤波方法进行数据融合。

优选地，所述GPS信号强弱根据载噪比确定，若载噪比大于等于35，则GPS信号为强；若载噪比为大于等于20并小于35，则GPS信号为弱；若载噪比小于20，则GPS信号为盲区。

优选地，若所述GPS信号为强，则所述GPS导航权重为0.99，所述惯性导航权重为0.01；若所述GPS信号为弱，则所述GPS导航权重和惯性导航权重根据位置精度因子确定；若所述GPS信号为盲区，则GPS导航权重为0，惯性导航权重为1。

优选地，根据所述位置精度因子P确定GPS导航权重和惯性导航权重，若所述位置精度因子P≤2，则GPS导航权重为0.99，惯性导航权重为0.01；若所述位置精度因子P的范围为2＜P≤5，则GPS导航权重为2/P，惯性导航权重为1-2/P；若所述位置精度因子P的范围为5＜P≤10，则GPS导航权重为1/P，惯性导航权重为1-1/P；若所述位置精度因子P的范围为P＞10，则GPS导航权重为1/2P，惯性导航权重为1-1/2P。

本发明通过实时采集惯性导航数据和由GPS信号解析生成GPS导航数据，根据GPS信号强弱对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，再根据校正结果进行提示，从而达到减少因无线方式对导航装置的电磁干扰，提高导航准确的目的。

附图说明

图1是本发明第一实施例原理示意图；

图2是本发明第一实施例惯性导航模块示意图；

图3是本发明第二实施例惯性导航模块示意图；

图4是本发明第三实施例导航方法的流程示意图；

图5是本发明第三实施例对惯性导航数据和GPS导航数据进行校正流程示意图；

图6是本发明第三实施例判断载噪比范围的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

本发明实施例的导航装置和方法，通过接收GPS信号解析生成GPS导航数据，以及实时采集的惯性导航数据，根据GPS信号强弱对所述GPS导航数据和惯性导航数据进行校正，向用户作出导航提示，从而达到减少电磁干扰，提高导航准确的目的。

如图1和图2所示，提出本发明导航装置第一实施例。该导航装置包括：GPS模块1，用于接收GPS信号，并对所述GPS信号进行解析处理，生成GPS导航数据；惯性导航模块2，用于采集惯性导航数据；控制模块3，根据所述GPS信号的强弱对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，生成导航信息；提示模块4，以图像或语音方式输出所述导航信息。所述控制模块3通过I²C总线与所述惯性导航模块2和所述提示模块4连接，通过串口与GPS模块1连接。

所述控制模块3根据所述GPS模块1接收的GPS信号的强弱实时对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，生成导航信息。所述校正是根据用于确定GPS导航精度的载噪比的范围确定GPS信号强弱，并根据所述GPS信号强弱确定惯性导航权重和GPS导航权重，再根据惯性导航权重和GPS导航权重对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行数据融合处理。其中，所述惯性导航权重和GPS导航权重之和为1。所述惯性导航数据是指主要根据惯性数据实现导航的数据，可以包括速度数据、加速度数据等惯性数据，也可以是用于确定海拔高度数据或航向数据。所述GPS导航数据是指对GPS信号进行处理生成的数据，可以是经度数据、纬度数据、速度数据、航向数据等。所述GPS导航权重和惯性导航权重分别为GPS导航数据和惯性导航数据分配系数。所述数据融合是指将GPS导航数据和惯性导航数据通过一定算法，按照惯性导航权重和GPS导航权重进行结合。

所述GPS模块1接收GPS信号，并对该GPS信号进行解析处理，生成GPS导航数据，由所述控制模块3对GPS导航数据进行解析处理，生成GPS导航导信息，该GPS导航信息通过专用导航软件处理，由所述提示模块4根据专用导航软件处理的结果进行提示，实现GPS导航。

所述惯性导航模块2包括采集加速度数据的加速度采集单元21和采集地球磁场数据的地磁场采集单元22。所述加速度采集单元21通过I²C总线与所述控制模块连接，用于实时采集加速度数据；所述地磁场采集单元22通过I²C总线与所述控制模块连接，用于实时采集地磁场数据。所述控制模块3对所述地磁场采集单元22采集的地磁场数据进行解析处理，生成航向数据。所述控制模块3还根据所述航向数据和加速度数据，以及所述GPS模块1生成的GPS导航数据中的速度数据进行处理，生成惯性导航信息，该惯性导航信息可以通过存储在所述控制模块3或存储介质中的专用导航软件处理，由所述提示模块4根据专用导航软件处理结果进行提示，实现惯性导航。所述专用导航软件可以是电子地图导航引擎用户界面，采用现有的机制进行工作。

为了更清楚说明本发明实施例，本发明导航装置工作过程如下：

所述控制模块3根据所述GPS模块1对GPS信号解析处理生成的GPS导航数据，确定GPS信号的强弱，并根据GPS信号的强弱确定的惯性导航权重和GPS导航权重对惯性导航数据和GPS导航数据进行数据融合处理，生成导航信息，该导航信息通过专用导航软件处理，由所述提示模块3根据专用导航软件处理的结果进行提示，实现导航。其中，所述GPS信号的强弱可以通过GPS信号的载噪比C/N确定。

具体地说，所述导航装置由所述控制模块3根据GPS信号强弱适时调整惯性导航权重和GPS导航权重，对所述惯性导航模块2和GPS模块1输入的惯性导航数据和GPS导航数据进行数据融合处理，生成导航信息，该导航信息经过专用导航软件进行处理，由所述提示模块4对处理结果进行提示，从而实现导航。

当GPS信号强时，所述导航装置以GPS模块1生成的GPS导航数据为主进行导航，惯性导航数据对该GPS导航数据进行校正。所述GPS模块1接收GPS信号，并对GPS信号进行解析处理，生成GPS导航数据。所述控制模块3根据GPS信号的载噪比确定GPS信号强弱，根据GPS信号强弱确定惯性导航权重和GPS导航权重，通过现有的方法，如卡尔曼滤波方法，对所述GPS导航数据以及由所述惯性导航模块2采集的加速度数据、地磁场数据和GPS导航数据中的速度数据进行数据融合处理，生成导航信息。该导航信息经可以通过专用导航软件处理，由所述提示模块4根据专用导航软件处理结果，以图像或语音方式进行提示，从而实现导航。其中，所述载噪比可以设为C/N，所述加速度数据由所述加速度采集单元21采集，该加速度采集单元21可以是MMA7450L的加速度传感器；所述地磁场数据由所述地磁场采集单元22采集，该地磁场采集单元22可以是AK8970S的电子指南针；所述提示模块4可以是LCD或扬声器进行提示，还可以是LCD和扬声器分别进行提示。

如可以设GPS信号的载噪比大于等于35(C/N≥35)，为GPS信号强，设GPS导航权重为0.99，惯性导航权重为0.01。

当GPS信号弱时，所述控制模块3根据所述GPS模块1解析生成的GPS导航数据和所述惯性导航模块2采集的惯性导航数据进行处理，并根据用于确定GPS导航精度的位置精度因子确定惯性导航权重和GPS导航权重，所述位置精度因子可以设为P，该位置精度因子为本领域公知的技术概念。如设GPS信号的载噪比大于等于20并小于35(20≤C/N＜35)时，为GPS信号弱，根据GPS模块1的位置精度因子确定惯性导航权重和GPS导航权重。若所述位置精度因子小于等于2(P≤2)时，则GPS导航权重为0.99，惯性导航权重为0.01；若所述位置精度因子大于2并小于等于5(2＜P≤5)时，则GPS导航权重为所述位置精度因子分之二(2/P)，惯性导航权重为1减所述GPS导航权重(1-2/P)；若所述位置精度因子大于5并小于等于10(5＜P≤10)，则GPS导航权重为所述位置精度因子分之一(1/P)，惯性导航权重为1减所述GPS导航权重(1-1/P)；若所述位置精度因子大于10(P＞10)时，则GPS导航权重为所述位置精度因子两倍分之一(1/2P)，惯性导航权重为1减GPS导航权重(1-1/2P)。

当GPS信号盲区时，所述导航装置以惯性导航数据进行导航。如设GPS信号的载噪比小于20(C/N＜20)时，为GPS信号盲区，可以设GPS导航权重为0，惯性导航权重为1。由所述控制模块3根据进入GPS信号盲区最后一刻采集的航向数据，以及所述控制模块3进入GPS信号盲区最后一刻生成的速度数据作为惯性导航在GPS信号盲区初始航向和初始速度。所述控制模块3根据初始速度和初始航向，以及所述惯性导航模块2实时采集的惯性导航数据进行处理，生成导航信息。此时该导航信息为所述惯性导航信息，通过专用导航软件处理，由所述提示模块4根据专用导航软件处理结果，以图像或语音方式进行提示，实现导航。

在本实施例中，惯性导航是通过惯性导航模块2采集加速度数据和由地球磁场数据确定的航向数据，以及通过控制模块3生成的GPS导航数据中速度数据进行惯性导航。也可以通过惯性导航模块2采集速度数据、加速度数据和根据地球磁场确定的航向数据，现实惯性导航，其工作原理与上述实施相同，不再赘述。

如图3所示，本发明在上述实施例的基础上还提出第二实施例。所述惯性导航模块2还可以包括采集大气气压的气压采集单元23，该气压采集单元23可以通过I²C总线与所述控制模块3连接，可以是HP03气压传感器。由气压采集单元23采集的大气压信息，所述控制模块3根据大气压信息进行解析，确定海拔高度，提高导航的准确度，其工作原理与上述实施例相同，不再赘述。

本发明还提出一种导航方法的第三实施例，该导航方法通过采集惯性导航数据和GPS导航数据，根据GPS信号强弱对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，再根据校正结果输出导航信息，从而实现导航。

如图4所示，本发明实施例导航方法工作流程如下：

步骤S11，接收GPS信号，并解析生成的GPS导航数据；所述GPS信号可以通过上述实施例所述GPS模块1实时接收，并由所述GPS模块1对所述GPS信号进行解析处理，生成GPS导航数据，该GPS导航数据可以包括经度数据、纬度数据、速度数据、航向数据等；

步骤S12，采集惯性导航数据，该惯性导航数据可以通过上述实施例所述惯性导航模块2实时采集，该惯性导航数据包括加速度数据、速度数据等，还可以包括分别用于确定航向和海拔高度信息的地球磁场数据和气压数据等；

步骤S13，根据所述GPS导航数据确定的GPS信号强弱对步骤S11中的所述GPS导航数据和步骤S12中的所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息；可以由上述实施例所述控制模块3根据GPS信号的载噪比确定GPS信号的强弱，并根据GPS信号强弱确定惯性导航权重和GPS导航权重，再根据惯性导航权重和GPS导航权重对惯性导航数据和GPS导航数据进行数据融合处理，生成导航信息；其中，所述校正是根据所述载噪比的范围确定GPS信号强弱，并根据所述GPS信号强弱确定惯性导航权重和GPS导航权重，再根据惯性导航权重和GPS导航权重对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行数据融合处理；所述惯性导航权重与所述GPS导航权重之和为1，其中所述载噪比可设为C/N；

步骤S14，输出导航信息，可以由上述实施例所述提示模块4以图像或语音方式输出所述导航信息，如LCD和/或扬声器。

如图5所示，在上述步骤S13中，所述根据所述GPS导航数据确定的GPS信号强弱对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息的步骤还包括：

步骤S131，判断GPS信号强弱，根据GPS信号的载噪比C/N判断GPS信号强弱，可以由所述控制模块3根据GPS信号的载噪比C/N的大小判断GPS信号的强弱；

步骤S132，根据所述GPS信号强弱确定惯性导航权重和GPS导航权重；根据上述步骤S131确定上述实施例所述惯性导航权重和GPS导航权重，具体地说：

若GPS信号强时，则惯性导航权重为0.01，GPS导航权重为0.99；

若GPS信号弱时，则所述GPS导航权重和惯性导航权重根据用于确定位置精度的位置精度因子确定，该位置精度因子可以设为P；若所述位置精度因子小于等于2(P≤2)时，则GPS导航权重为0.99，惯性导航权重为0.01；

若所述位置精度因子大于2并小于等于5(2＜P≤5)时，则GPS导航权重为所述位置精度因子分之二(2/P)，惯性导航权重为1减所述GPS导航权重(1-2/P)；若所述位置精度因子大于5并小于等于10(5＜P≤10)时，则GPS导航权重所述位置精度因子分之一(1/P)，惯性导航权重为1减所述GPS导航权重(1-1/P)；若所述位置精度因子大于10(P＞10)时，则GPS导航权重为所述位置精度因子两倍分之一(1/2P)，惯性导航权重为1减所述GPS导航权重(1-1/2P)。

若GPS信号盲区时，则惯性导航权重为1，GPS导航权重为0；

步骤S133，根据所述GPS导航权重和惯性导航权重对所述GPS导航数据和惯性导航数据进行数据融合，生成导航信息；具体地说，采用现有的方法，如卡尔曼滤波方法，可以由所述控制模块3根据上述步骤S132确定的所述惯性导航权重和GPS导航权重对所述GPS导航数据和惯性导航数据对进行数据融合处理，生成导航信息。

如图6所示，在上述步骤S131中，所述判断GPS信号强弱的步骤包括：

步骤S1311，判断载噪比的范围，可以由所述控制模块3根据GPS信号的载噪比的范围判断GPS信号强弱；

步骤S1312，根据步骤S1311，当GPS信号载噪比大于等于35(C/N≥35)时，则GPS信号为强；

步骤S1313，根据步骤S1311，当GPS信号载噪比大于等于20并小于35(20≤C/N＜35)时，则GPS信号为弱；

步骤S1314，根据步骤S1311，当GPS信号载噪比小于20(C/N＜20)时，则GPS信号为盲区，即无GPS信号。

本发明实施例，通过接收GPS信号解析生成GPS导航数据，以及实时采集的惯性导航数据，并根据所述GPS信号强弱对所述GPS导航数据和惯性导航数据进行校正，生成导航信息，再以图像或语音方式输出所述导航信息，从而可以减少电磁干扰，提高导航准确性，可以广泛用于汽车、手机、电脑等导航。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种导航装置，包括：

GPS模块，用于接收GPS信号，并对所述GPS信号进行解析，生成GPS导航数据；

惯性导航模块，用于采集惯性导航数据；

控制模块，根据所述GPS导航数据确定GPS信号强弱，对所述惯性导航数据和GPS导航数据进行校正，生成导航信息；

提示模块，以图像或语音方式输出所述导航信息。

2.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述惯性导航模块包括：

加速度采集单元，与所述控制模块连接，用于实时采集加速度数据；

地磁场采集单元，与所述控制模块连接，用于实时采集地磁场数据。

3.根据权利要求2所述的导航装置，其特征在于，所述惯性导航模块还包括：

气压采集单元，与所述控制模块连接，该气压采集单元用于采集气压信息。

4.一种导航方法，其特征在于，包括步骤：

接收GPS信号，并解析生成GPS导航数据；

采集惯性导航数据；

根据所述GPS导航数据确定GPS信号强弱，对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息；

输出导航信息。

5.根据权利要求4所述的导航方法，其特征在于，所述根据GPS导航数据确定GPS信号强弱，对所述GPS导航数据和所述惯性导航数据进行校正，生成导航信息的步骤还包括：

判断GPS信号强弱；

根据GPS信号强弱确定GPS导航权重和惯性导航权重；

根据所述GPS导航权重和惯性导航权重对所述GPS导航数据和惯性导航数据进行数据融合，生成导航信息。

6.根据权利要求5所述的导航方法，其特征在于：

所述对GPS导航数据和惯性导航数据进行数据融合是根据卡尔曼滤波方法进行数据融合。

7.根据权利要求5或6所述的导航方法，其特征在于：

所述GPS信号强弱根据载噪比确定，若载噪比大于等于35，则GPS信号为强；

若载噪比为大于等于20并小于35，则GPS信号为弱；

若载噪比小于20，则GPS信号为盲区。

8.根据权利要求7所述的导航方法，其特征在于：

若所述GPS信号为强，则所述GPS导航权重为0.99，所述惯性导航权重为0.01；

若所述GPS信号为弱，则所述GPS导航权重和惯性导航权重根据位置精度因子确定；若所述GPS信号为盲区，则GPS导航权重为0，惯性导航权重为1。

9.根据权利要求8所述的导航方法，其特征在于：

根据所述位置精度因子P确定GPS导航权重和惯性导航权重，若所述位置精度因子P≤2，则GPS导航权重为0.99，惯性导航权重为0.01；若所述位置精度因子P的范围为2＜P≤5，则GPS导航权重为2/P，惯性导航权重为1-2/P；若所述位置精度因子P的范围为5＜P≤10，则GPS导航权重为1/P，惯性导航权重为1-1/P；若所述位置精度因子P的范围为P＞10，则GPS导航权重为1/2P，惯性导航权重为1-1/2P。