CN101464157A - 一种组合定位仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合定位仪，包括：惯性模块，用于提供位置推算信息；处理控制模块，用于接收GNSS信息、以及所述惯性模块输出的位置推算信息；当所述GNSS信息可用时，直接输出所述GNSS信息，所述GNSS信息包括位置信息、速度信息和航向信息；当所述GNSS信息不存在或不可用时，根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果；所述推算结果包括位置信息、速度信息和航向信息；以及用于当静止时，对静止前输出的位置、速度和航向不进行累加。采用本发明进行导航定位时，静止状态下误差不会随时间的延长而增大。

Description

一种组合定位仪

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种组合定位仪。

背景技术

导航定位目前比较常用的技术是采用GNSS(Global Navigation SatelliteSystem，全球导航卫星系统)；GNSS系统通过接收GNSS卫星发送的无线信号计算定位信息，能够实时进行高精度的定位；但是，无线信号具有直线传播特性，其动态性能和抗干扰性能较差，当GNSS接收模块处于卫星信号会被遮挡或受干扰的地点时，会无法准确定位甚至无法定位。

惯性定位导航系统，简称惯导系统，具备独立导航能力，可以给出载体姿态、速度和位置等定位导航信息，抗外界干扰能力强。

目前，一种常用的做法是将惯导系统应用在GNSS中，当GNSS定位导航受影响时，通过惯导系统进行定位导航；但是，惯导系统的定位导航误差会随着时间延续而不断增大，导致误差积累，而造成无法准确定位导航的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种组合定位仪，静止状态下误差不会随时间的延长而增大。

为了解决上述问题，本发明提供了一种组合定位仪，包括：

惯性模块，用于提供位置推算信息；

处理控制模块，用于接收GNSS信息、以及所述惯性模块输出的位置推算信息；当所述GNSS信息可用时，直接输出所述GNSS信息，所述GNSS信息包括位置信息、速度信息和航向信息；当所述GNSS信息不存在或不可用时，根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果；所述推算结果包括位置信息、速度信息和航向信息；以及用于当静止时，对静止前输出的位置、速度和航向不进行累加。

进一步地，所述处理控制模块当下列情况中的任一个或任意组合发生时，判定本组合定位仪静止：

GNSS信息或推算结果中，速度信息表示速度小于0.2米/秒；

加速度传感器三轴输出总和在5秒钟内变化值都在0.3米/秒²以内。

进一步地，所述的组合定位仪还包括：

GNSS天线，用于接收GNSS卫星信号，并将所述的GNSS卫星信号发送给GNSS接收机；

GNSS接收机，用于对所述GNSS天线接收的GNSS卫星信号滤波、放大、解调，最后解算出GNSS信息；还用于当GNSS卫星信号弱于信号阈值时，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否可用的标志位置为“不可用”。

进一步地，所述GNSS接收机还用于接收差分信息，根据该差分信息对解算出的GNSS信息进行校正，输出校正后的差分修正状态的GNSS信息；根据是否进行了差分修正，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否为差分修正状态的标志位相应置位。

进一步地，所述处理控制模块还用于当所述GNSS信息未经过差分修正时，对GNSS信息中的GNSS位置信息作剔除野点处理；比较推算出的位置和GNSS信息中的位置信息所表示的位置之间的距离，如果该距离小于设定的第一阈值时输出推算结果中的位置信息、GNSS信息中的速度信息和航向信息；如果该距离大于或等于设定的第一阈值时，输出GNSS信息中的位置信息、速度信息和航向信息；

所述处理控制模块剔除野点具体是指：

计算当前采样时刻位置和前一采样时刻位置之间的距离和航向改变值，根据前一采样时刻的速度值计算距离阈值和航向改变阈值，当两点之间的距离超过距离阈值或两采样时刻的航向改变量超过航向改变阈值时认为当前采样时刻的位置是野点，剔除该位置信息。

进一步地，所述处理控制模块还用于当速度小于或等于1米/秒时，根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果。

进一步地，所述惯性模块包括：

加速度传感器，用于测量加速度；

角速度传感器，用于测量角速度；

所述位置推算信息包括加速度和角速度。

进一步地，所述处理控制模块还用于当静止时，在一段时间内进行以下操作：

取当前时刻角速度传感器的零值Z1，及本处理控制模块所采用的角速度传感器的零值Z0，得到Z0’为所述Z0加上0.1乘以ΔZ的积；其中ΔZ为Z1与Z0之差；用Z0’代替Z0作为角速度传感器的零值；

取当前时刻加速度传感器的零值Z_a1，及本处理控制模块所采用的加速度传感器的零值Z_a0，得到新的Z_a0’为所述Z_a0加上0.1乘以ΔZ_a的积；其中ΔZ_a为Z_a1与Z_a0之差；用Z_a0’代替Z_a0作为加速度传感器的零值。

进一步地，所述处理控制模块还用于当所述GNSS信息可用、为差分修正状态、并且加速度大于1米/秒²时，在一段时间内进行以下操作：

根据所述GNSS信息得到当前时刻加速度传感器的实际比例系数P1，及本处理控制模块所采用的比例系数P0，得到P0’为所述P0加上0.1乘以ΔP的积；其中ΔP为P1与P0之差；用P0’代替P0作为加速度传感器的比例系数。

进一步地，组合定位仪还包括：掉电不丢失存储器；

所述处理控制模块还用于每次检测到本组合定位仪断电时，将当前的位置信息、速度信息和航向信息保存在所述掉电不丢失存储器中；以及用于在上电后，读取保存的位置信息、速度信息和航向信息作为初始状态。

本发明在GNSS卫星信号受干扰的情况下，可以不间断准确的输出导航定位信息，适用于任何GNSS接收机，兼容性好，并且静止状态下误差不会随时间的延长而增大，特别适合码头等处集卡的作业状况，因为集卡在装箱卸箱时都会停车一段时间，而装箱卸箱的位置是GNSS卫星信号受干扰最严重的位置。本发明的一个优化方案中，在静止状态下对惯性模块的零值进行校正，GNSS差分定位状态下对惯性模块的参数进行校正，使输出的定位信息更加精确。

附图说明

图1是本发明实施例的组合定位仪的示意框图；

图2是本发明实施例中内置、外置GNSS接收机自动选择的示意框图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

实施例一，一种组合定位仪，包括惯性模块及处理控制模块。下文中的系统是指组合定位仪或是载有该组合定位仪的车辆、装置或设备等；因为组合定位仪的移动是依附于承载本组合定位仪的车辆、装置或设备等的，所以本文所说的“系统静止”即相当于组合定位仪静止，也相当于载有该组合定位仪的车辆、装置或设备等的静止，本文所说的“系统位置”、“系统速度”、“系统移动距离”等也是一样。

所述惯性模块用于提供用于位置推算信息。

本实施例中，所述位置推算信息包括加速度和角速度；所述惯性模块包括加速度传感器和角速度传感器；实际应用中可以采用其它测量速度/角速度的器件。

所述加速度传感器用于测量系统的加速度。

所述角速度传感器用于测量系统的角速度。

所述处理控制模块用于接收GNSS接收机输出的GNSS信息、以及惯性模块输出的位置推算信息，利用所述GNSS信息对惯性模块的参数进行滤波修正；所述GNSS接收机可以是组合定位仪自带的，也可以是外界已有的、或将要使用的。

当所述GNSS信息可用时，所述处理控制模块直接输出所述GNSS信息；所述GNSS信息包括位置信息、速度信息和航向信息；

当所述GNSS信息不存在或不可用时，所述处理控制模块根据所述位置推算信息得到推算结果，所述推算结果包括位置信息、速度信息和航向信息，输出推算结果；从而达到不间断高精度定位的要求。

另外，当静止时，所述处理控制模块对静止前输出的位置、速度和航向不进行累加，组合定位输出信息也是静止信息，此时误差保持静止前的误差值，以消除静止状态下惯性模块误差的累计。关键是如何判断车辆是否处于静止状态，所述处理控制模块采用以下几种方式中的任一个或任意组合来判断：①当GNSS正常定位(GNSS信息可用)的情况下，通过所述GNSS接收机输出的GNSS信息中的速度信息来判断，因为GNSS的速度精度可达到0.1米/秒；当所述速度信息表示速度小于0.2米/秒时，判定系统静止；②当GNSS不能定位(GNSS信息不存在或不可用)时，通过所述惯性模块推算后的速度和角速度的变化来判断；当所述速度小于0.2米/秒，且角速度小于3度/秒时，判定系统静止；③通过加速度传感器三轴输出总和的变化来判断，因为车辆在行使过程中会产生振动，加速度传感器的垂直轴输出的变化会比较大；如果5秒钟内加速度的变化值都在0.3米/秒²以内，判定系统静止。

本实施例中，当GNSS接收机输出的GNSS信息未经过差分修正时，所述处理控制模块还用于对GNSS信息中的GNSS位置信息作剔除野点处理，然后通过GNSS信息中的速度信息、航向信息进行位置推算；比较推算出的位置和GNSS信息中的位置信息所表示的位置之间的距离，如果该距离小于设定的第一阈值时输出推算结果中的位置信息、GNSS信息中的速度信息和航向信息；如果该距离大于或等于设定的第一阈值时，输出GNSS信息中的位置信息、速度信息和航向信息；该第一阈值可以根据试验结果或经验值进行设定；利用速度进行位置推算是因为GNSS采用多普勒频移进行速度的测量，精度很高，在短时间内使用速度作为推算的定位精度比较高。

本实施例中，当一采样时刻位置信息发生突变时认为该采样时刻得到的位置信息为野点；所述的剔除野点具体是指：

计算当前采样时刻位置和前一采样时刻位置之间的距离和航向改变值，根据前一采样时刻的速度值计算距离阈值和航向改变阈值，当两点之间的距离超过距离阈值、或两采样时刻的航向改变量超过航向改变阈值时认为当前采样时刻的位置是野点，剔除该位置信息。

本组合定位仪可靠性高、滤波器的状态变量少，计算简单，由于各自数据处理具有相对独立性，便于相互检验。

本实施例中，当系统的速度小于或等于1米/秒时，所述处理控制模块也是根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果。

所述处理控制模块根据所述位置推算信息进行推算具体包括：

通过对加速度的积分得到速度的变化量，在已知初始速度的情况下能得到系统的实际速度，再通过对速度的积分推算得到系统的移动距离；

通过对角速度的积分得到角度的变化量，在已知初始航向的情况下可以推算出系统的航向值；

由所述移动距离和航向值可以推算出系统的运行轨迹。

由于所述角速度传感器的零值因个体的差异和温度的变化会有所不同，所以需要对角速度传感器的零值进行实时校准；所述处理控制模块还用于当系统处于静止状态时，对角速度传感器的零值进行校准。

本实施例中，校准的方法采用单节点神经网络算法，即在一段时间内处理控制模块进行以下操作：读取当前时刻角速度传感器的零值Z1，本处理控制模块采用的角速度传感器的零值为Z0，计算两者的差值ΔZ＝Z1-Z0，对角速度传感器零值进行校准，校准公式为Z0＝Z0+ΔZ*0.1；这样经过一段时间的校准，角速度传感器的零值将非常接近实际值，将ΔZ乘0.1是为了避免噪声对校准的影响。这种校准算法简单，计算量小，并且抗干扰能力强。实际应用时，不排除采用其它系数，比如0.15、0.05等；另外，如果ΔZ为Z0减去Z1，则校准公式为Z0＝Z0-ΔZ*0.1，但实质都是一样的。

加速度传感器的测量值对推算精度的影响非常大，由于安装和器件本身的差异，加速度传感器的零值和比例系数会有一定的差异，所以必须根据实际环境调整零值和比例系数。所述处理控制模块还用于当系统处于静止状态时，对加速度传感器的零值进行校准，校准采用角速度传感器零值校准相同的方法；当GNSS信息可用，且为差分修正状态，并且系统的加速度大于1米/秒²，则根据所述GNSS信息对加速度传感器的比例系数进行校准，也是根据实际的比例系数和处理控制模块中保存的比例系数，按照角速度传感器零值校准时的校准公式进行校准，所以通过一段时间的学习能比较好的符合实际情况，并且当实际参数发生改变后能自动进行校准。

本实施例中，组合定位仪上电后一段时间内，由于GNSS还没有输出GNSS信息，组合定位仪中没有初始的位置信息、速度信息和航向信息，将不能用惯性模块输出的推算信息进行推算。本实施例中，组合定位仪还包括一掉电不丢失存储器，本实施例中采用FLASH存储器。所述处理控制模块还用于每次检测到本组合定位仪断电时都会将当前的位置信息、速度信息和航向信息及惯性模块的参数保存在所述FLASH存储器中，可以但不限于利用组合定位仪内部的电容存储的电量运行完FLASH存储器写操作程序，以备以后使用；以及用于上电后，所述处理控制模块读取保存的位置信息、速度信息和航向信息作为本系统的初始状态。而保存惯性模块的参数，就可以不用校准，或在此参数的基础上校准，能够尽快使惯性模块的输出接近实际值。

本实施例中，所述组合定位仪如图1所示，还可以包括GNSS天线和GNSS接收机；所述电源输入组合定位仪后，经过一电源转换模块转换后分别提供给GNSS接收机、惯性模块和处理控制模块；处理控制模块通过RS232接口输出。

如果使用组合定位仪的车辆、装置或设备等上面本身已经安装了GNSS天线和GNSS接收机，则组合定位仪中可以没有GNSS天线和GNSS接收机。本文中，当组合定位仪自带GNSS天线和GNSS接收机时，将该GNSS接收机称为内置GNSS接收机；如果是已安装的GNSS接收机，将该GNSS接收机称为外置GNSS接收机。可以根据不同要求选择不同型号的GNSS接收机，或是可以复用已安装的GNSS接收机，比如一装置上已安装一GNSS接收机，此时可以将该已安装的GNSS接收机作为外置GNSS接收机，兼容性更好。

所述GNSS天线用于接收GNSS卫星信号，并将所述的GNSS卫星信号发送给GNSS接收机；可以但不限于通过射频电缆发送，实际应用中也不排除通过其它有线、无线通信方式发送；

所述GNSS接收机用于通过所述GNSS天线接收GNSS卫星信号，通过对该GNSS卫星信号滤波、放大、解调，最后解算出GNSS信息，包括所述GNSS天线的位置信息、速度信息和航向信息(也就是系统的位置信息、速度和航向信息)。

本实施例中，为了达到高精度定位的要求，选择具备接收差分信息功能的GNSS接收机，接收已有的差分基准站发送的差分信息，根据该差分信息对解算出的GNSS信息进行校正，输出校正后的差分修正状态的GNSS信息。

本实施例中，所述GNSS接收机通过串口将所述GNSS信息发送给所述处理控制模块；当GNSS卫星信号弱于信号阈值时，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否可用的标志位置为“不可用”；该信号阈值可以根据本领域的经验值或试验结果进行设定；根据是否进行了差分修正，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否为差分修正状态的标志位相应置位，进行过则为差分修正状态。

本实施例中，所述处理控制模块可以根据GNSS信息中的标志状态来判断GNSS接收机输出的该GNSS信息是否可用，以及是否为差分修正状态。

本实施例中，如图2所示，当使用外置GNSS接收机时，外置GNSS接收机的发送端TXA、接收端RXA经过电阻与所述处理控制模块相连，外置GNSS接收机的输出信息经过电阻输出给所述处理控制模块，因为此时没有内置GNSS接收机，处理控制模块就可以接收到外置GNSS接收机输出的GNSS信息，外部差分信息则输入到外置GNSS接收机的RXB，外置GNSS接收机根据所述差分信息对解算结果进行修正。当使用内置GNSS接收机时，内置GNSS接收机的第一发送端TXA和第一接收端RXA直接与所述处理控制模块相连，所述处理控制模块就可以接收到内置GNSS接收机输出的GNSS信息；外部的差分信息则通过RS232接口输入到内置GNSS接收机的第二接收端RXB，内部GNSS接收机根据所述差分信息对解算结果进行修正，此时差分信息和内置GNSS接收机输出的GNSS信息之间有电阻，不会造成相互干扰；在本实施例中选用10KΩ的电阻，可以根据器件的输入阻抗选择合适的电阻。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种组合定位仪，其特征在于，包括：

惯性模块，用于提供位置推算信息；

处理控制模块，用于接收GNSS信息、以及所述惯性模块输出的位置推算信息；当所述GNSS信息可用时，直接输出所述GNSS信息，所述GNSS信息包括位置信息、速度信息和航向信息；当所述GNSS信息不存在或不可用时，根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果；所述推算结果包括位置信息、速度信息和航向信息；以及用于当静止时，对静止前输出的位置、速度和航向不进行累加。

2、如权利要求1所述的组合定位仪，其特征在于，所述处理控制模块当下列情况中的任一个或任意组合发生时，判定本组合定位仪静止：

GNSS信息或推算结果中，速度信息表示速度小于0.2米/秒；

加速度传感器三轴输出总和在5秒钟内变化值都在0.3米/秒²以内。

3、如权利要求1所述的组合定位仪，其特征在于，还包括：

GNSS天线，用于接收GNSS卫星信号，并将所述的GNSS卫星信号发送给GNSS接收机；

GNSS接收机，用于对所述GNSS天线接收的GNSS卫星信号滤波、放大、解调，最后解算出GNSS信息；还用于当GNSS卫星信号弱于信号阈值时，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否可用的标志位置为“不可用”。

4、如权利要求3所述的组合定位仪，其特征在于

所述GNSS接收机还用于接收差分信息，根据该差分信息对解算出的GNSS信息进行校正，输出校正后的差分修正状态的GNSS信息；根据是否进行了差分修正，将所述GNSS信息中用于指示本信息是否为差分修正状态的标志位相应置位。

5、如权利要求4所述的组合定位仪，其特征在于：

所述处理控制模块还用于当所述GNSS信息未经过差分修正时，对GNSS信息中的GNSS位置信息作剔除野点处理；比较推算出的位置和GNSS信息中的位置信息所表示的位置之间的距离，如果该距离小于设定的第一阈值时输出推算结果中的位置信息、GNSS信息中的速度信息和航向信息；如果该距离大于或等于设定的第一阈值时，输出GNSS信息中的位置信息、速度信息和航向信息；

所述处理控制模块剔除野点具体是指：

计算当前采样时刻位置和前一采样时刻位置之间的距离和航向改变值，根据前一采样时刻的速度值计算距离阈值和航向改变阈值，当两点之间的距离超过距离阈值或两采样时刻的航向改变量超过航向改变阈值时认为当前采样时刻的位置是野点，剔除该位置信息。

6、如权利要求1到5中任一项所述的组合定位仪，其特征在于：

所述处理控制模块还用于当速度小于或等于1米/秒时，根据所述位置推算信息进行推算，输出推算结果。

7、如权利要求1到5中任一项所述的组合定位仪，其特征在于，所述惯性模块包括：

加速度传感器，用于测量加速度；

角速度传感器，用于测量角速度；

所述位置推算信息包括加速度和角速度。

8、如权利要求7所述的组合定位仪，其特征在于，

所述处理控制模块还用于当静止时，在一段时间内进行以下操作：

取当前时刻角速度传感器的零值Z1，及本处理控制模块所采用的角速度传感器的零值Z0，得到Z0’为所述Z0加上0.1乘以△Z的积；其中△Z为Z1与Z0之差；用Z0’代替Z0作为角速度传感器的零值；

取当前时刻加速度传感器的零值Z_a1，及本处理控制模块所采用的加速度传感器的零值Z_a0，得到新的Z_a0’为所述Z_a0加上0.1乘以△Z_a的积；其中△Z_a为Z_a1与Z_a0之差；用Z_a0’代替Z_a0作为加速度传感器的零值。

9、如权利要求7所述的组合定位仪，其特征在于，

所述处理控制模块还用于当所述GNSS信息可用、为差分修正状态、并且加速度大于1米/秒²时，在一段时间内进行以下操作：

根据所述GNSS信息得到当前时刻加速度传感器的实际比例系数P1，及本处理控制模块所采用的比例系数P0，得到P0’为所述P0加上0.1乘以△P的积；其中△P为P1与P0之差；用P0’代替P0作为加速度传感器的比例系数。

10、如权利要求1到5中任一项所述的组合定位仪，其特征在于，还包括：

掉电不丢失存储器；

所述处理控制模块还用于每次检测到本组合定位仪断电时，将当前的位置信息、速度信息和航向信息保存在所述掉电不丢失存储器中；以及用于在上电后，读取保存的位置信息、速度信息和航向信息作为初始状态。

Images