CN101762805A - 组合导航系统以及导航方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种组合导航系统及导航方法。组合导航系统包括：耦合于运动物体的全球定位系统(GPS)导航单元，用于根据卫星信号周期性地计算运动物体的GPS导航信息；耦合于运动物体的航位推算(DR)导航单元，用于根据运动物体的运动信息与存储于DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算运动对象的DR导航信息；以及耦合于GPS导航单元和DR导航单元的Kalman滤波器，用于周期性地计算运动物体的导航信息，其根据GPS导航信息的权重和DR导航信息的权重，整合GPS导航信息与DR导航信息，以得到导航观测信息，再整合导航观测信息与运动物体在先前多个时刻的导航信息，以得到运动物体当前的导航信息。本发明应用Kalman滤波器整合GPS导航信息与DR导航信息，获得了更高精度和更可靠性能的导航功能。

Description

组合导航系统以及导航方法

技术领域

本发明是关于导航技术，尤其是关于一种组合导航系统以及方法。

背景技术

由于全球定位系统(Global Positioning System，GPS)具有全球范围覆盖、高精度等优点，因而被广泛应用于汽车导航，以根据接收的卫星信号提供汽车的绝对位置。然而，由于高楼、树木、管道等会阻碍卫星信号传播，因此在城市环境下，很难实现连续地GPS导航。要得到连续可靠的定位信息就需要其他的辅助手段。

航迹推算(Dead Reckoning，DR)导航系统主要由定位传感器(例如，陀螺仪、里程仪等)组成，其具有较高的自主性以及高采样率。然而，由于DR导航系统是根据前一时刻的车辆绝对位置以及当前计算的相对位移推导得出当前时刻的车辆绝对位置，因此，DR导航系统的测量误差将随着时间逐步累积。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种组合导航系统以及导航方法，可以整合多个导航信息，以得到比单个导航信息更高精度和更可靠的导航信息。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种组合导航系统，其包括：耦合于运动物体的GPS导航单元，用于根据卫星信号周期性地计算所述运动物体的GPS导航信息；耦合于所述运动物体的DR导航单元，用于根据所述运动物体的运动信息与存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算所述运动对象的DR导航信息；以及耦合于所述GPS导航单元和DR导航单元的Kalman滤波器，用于周期性地计算所述运动物体的导航信息，其根据所述GPS导航信息的权重和所述DR导航信息的权重，整合所述GPS导航信息与所述DR导航信息，以得到导航观测信息，再整合所述导航观测信息与所述运动物体在先前多个时刻的导航信息，以得到所述运动物体当前的导航信息。

本发明还提供了一种组合导航方法，其至少包括下列步骤：根据卫星信号周期性地计算运动物体的GPS导航信息；根据所述运动物体的运动信息与存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算所述运动物体的DR导航信息；根据所述GPS导航信息的权重和所述DR导航信息的权重整合所述GPS导航信息与所述DR导航信息，得到导航观测信息；以及整合所述导航观测信息与所述运动物体在先前多个时刻的导航信息，得到所述运动物体当前的导航信息。

与现有技术相比，本发明提供了一种组合导航系统，应用Kalman滤波器整合GPS导航信息与DR导航信息。一方面，GPS导航单元提供的绝对位置精度很高，而且不受定位时间的影响，可以为DR导航单元提供航位推算的初始值，辅助DR导航单元进行定位误差的校正和修正DR导航单元的系统参数。另一方面，DR导航单元的连续推算在短时间内具有很高的精度，可以补偿GPS导航单元定位中的随机误差和定位的断点，使得定位的轨迹能够平滑。因此，采用这种组合导航系统能提供更高精度和更可靠性能的导航功能。

附图说明

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本发明的特征和优点更为明显。其中：

图1所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统的结构框图；

图2所示为根据本发明的一个实施例的更新DR导航单元的参考位置和方向的方法流程图；

图3所示为根据本发明的一个实施例的估计陀螺仪的参数值的方法流程图；

图4所示为根据本发明的一个实施例的估计里程表的参数值的方法流程图；

图5所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统的操作流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明旨在涵盖由后附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。

此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明之主旨。

图1所示为根据本发明的一个实施例的组合导航系统100的结构框图。本发明所述组合导航系统100相比较于现有技术的单一导航系统(例如，单一GPS导航系统或单一DR导航系统)具有更加精准的导航定位能力。

在一个实施例中，组合导航系统100包括GPS导航单元102，用于接收卫星信号，并根据卫星信号产生GPS导航信息116。每个卫星信号都由一个对应的导航卫星产生。在一个实施例中，GPS导航信息116包括运动物体(例如，车辆)的位置、方向、线速度V_GPS和角速度W_GPS。在地球标准坐标系中，车辆的位置由经度分量和纬度分量组成。

组合导航系统100还包括DR导航单元108，用于测量车辆的运动信息，并根据车辆的运动信息计算车辆的航向角变化量和位置变化量，再通过将车辆的位置变化量和航向角变化量分别累加至车辆的参考位置和方向，从而得到车辆的DR导航信息。其中，DR导航信息包括车辆的位置、方向和运动信息，而运动信息进一步包括车辆的线速度V_DR和角速度W_DR。如果GPS导航单元102接收到的卫星信号可靠，则采用GPS导航单元102产生的车辆的位置和方向周期性地更新DR导航单元108中的车辆的参考位置和方向；如果GPS导航单元102接收到的卫星信号不可靠，则采用DR导航单元108在前一时刻计算得到的车辆位置和方向更新DR导航单元108中的车辆的参考位置和方向。

DR导航单元108进一步包括：用于测量车辆线速度V_DR 128的里程表110，用于测量车辆角速度W_DR 130的陀螺仪112，以及用于根据测量得到的车辆线速度V_DR 128和角速度W_DR 130推算车辆当前位置和方向的DR模块114。由于测量得到的线速度V_DR 128和角速度W_DR 130具有一定误差，因此里程表110和陀螺仪112需要分别降低前述测量值的误差。

在一个实施例中，里程表110和陀螺仪112的相关参数可用于分别降低测量得到的线速度V_DR和角速度W_DR的误差。陀螺仪112的参数可包括(但不仅限于)零漂和刻度因子。里程表110的参数可包括(但不仅限于)车轮半径、车轮转一周对应输出脉冲数、车轮半径/速度的比例因子，以及车轮半径的静态误差。然而，里程表110和陀螺仪112的参数值会随着时间变化。因此，里程表110和陀螺仪112各包括一个Kalman(卡尔曼)滤波器140和142用于周期性地估计里程表110和陀螺仪112的当前参数值。降低了误差后的线速度V_DR128和角速度W_DR130可输出至DR模块114，用于后续的操作。

在一个实施例中，角速度W_DR130可输出至里程表110，用于判断是否满足对里程表110的参数值进行估计的条件。在另一个实施例中，线速度V_DR128可输出至陀螺仪112，用于判断是否满足对陀螺仪112的参数值进行估计的条件。

在一个替换的实施例中，耦合于GPS导航单元102和DR导航单元108之间的滤波器(例如，Kalman滤波器)144可用于滤除GPS导航信息116的噪声。此外，Kalman滤波器144可以根据卫星信号的载波噪声比(carrier-to-noise ratio，CNR)以及由GPS导航单元102输出的车辆的线速度V_GPS判断GPS导航单元102接收到的卫星信号是否可靠。如果具有CNR大于某个预设阈值(例如，30db-Hz)的卫星信号个数大于某个预设阈值(例如，3个)，并且由GPS导航单元102输出的车辆线速度V_GPS的平均速度大于某个预设阈值(例如，6m/s)，则认为接收到的卫星信号是可靠的；否则，认为接收到的卫星信号是不可靠的。

如果GPS导航单元102接收到的卫星信号可靠，那么根据接收的卫星信号计算得到的GPS导航信息116可被认为是可靠的。这样，Kalman滤波器144可滤除GPS导航信息116的噪声，并将GPS导航信息116中包含的车辆位置和方向信息126发送至DR模块114，以更新DR模块114中的参考位置和方向。

Kalman滤波器144也将包含在GPS导航信息116中的车辆线速度V_GPS和角速度W_GPS发送至里程表110和陀螺仪112，用于后续的操作。

DR模块114根据接收到的线速度V_DR 128和角速度W_DR 130计算车辆的位置变化量和航向角变化量，并将计算得到的位置变化量和航向角变化量分别累加至车辆的参考位置和方向，从而得到车辆的DR导航信息132。如前所述，如果GPS导航信息116可靠，则采用GPS导航信息116更新存储于DR模块114中的车辆参考位置和方向。

在一个实施例中，在地心地固(ECEF，Earth-Centered Earth-Fixed)坐标系中，车辆的位置由经度分量和纬度分量所定义。通过计算经度分量和纬度分量，即可确定车辆的具体位置。根据如下等式(1)可计算得到车辆位置的经度分量和纬度分量：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Lon}\_i=\mathrm{Lon}\_(i-1)+V_{\mathrm{DR}\_E}*T/(R*\cos \left(\mathrm{oldLon}\right))\\ \mathrm{Lat}\_i=\mathrm{Lat}\_(i-1)+V_{\mathrm{DR}\_N}*T/R\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Lon_i表示车辆当前位置的经度分量；Lat_i表示车辆当前位置的纬度分量；Lon_(i-1)表示参考位置的经度分量；Lat_(i-1)表示参考位置的纬度分量；V_{DR_E}表示线速度V_DR的东向分量；V_{DR_N}表示线速度V_DR的北向分量；T表示线速度V_DR的单位时间(例如，1秒)；R表示参考位置与地球标准坐标系原点的距离。

根据如下等式(2)可计算车辆的方向：

Ori_i＝Ori_(i-1)+W_DR*T    (2)

其中，Ori_i表示车辆的当前方向；Ori_(i-1)表示参考方向；T表示线速度V_DR的单位时间(例如，1秒)。

如果GPS导航信息116不可靠，DR模块114根据计算得到的车辆位置和方向更新车辆的参考位置和方向。随后，DR模块114即可根据更新的参考位置和方向计算车辆的下一个位置和方向。

此外，组合导航系统100还包括耦合于GPS导航单元102和DR导航单元108的Kalman滤波器106。Kalman滤波器106可根据GPS导航信息116的权重(简称GPS权重)和DR导航信息132的权重(简称DR权重)将GPS导航信息116和DR导航信息132进行整合，从而得到观测信息。随后，Kalman滤波器106通过将当前的观测信息与先前计算得到的导航信息进行整合，从而得到车辆当前的导航信息146。车辆的导航信息146可以显示于显示屏148上。

在一个实施例中，可以采用权重模块104计算GPS权值和DR权值。权重模块104接收由GPS导航单元102发送的卫星信号的位置精度衰减因子(Position Dilution Of Precision，PDOP)和载波噪声比(Carrier-to-Noise Ratio，CNR)，并且根据卫星信号的PDOP和CNR计算GPS权值和DR权值。

如果CNR大于30db-hz的卫星信号的个数大于或等于一个预定阈值(例如，3个)，GPS权重和DR权重可由卫星信号的PDOP决定。在这种情况下，根据如下等式(3)可计算GPS权重和DR权重：

${\mathrm{\&beta;}}_1=\left\{\begin{array}{cc}0.99,& \mathrm{PDOP}\&le;2\\ 2/\mathrm{PDOP},& 2<\mathrm{PDOP}<5\\ 1/\mathrm{PDOP},& 5<\mathrm{PDOP}<10\\ 1/(2*\mathrm{PDOP}),& 10\&le;\mathrm{PDOP}\end{array}\right.$

β₂＝1-β₁    (3)

其中，β₁表示GPS权重；β₂表示DR权重。

如果CNR大于30db-hz的卫星信号的个数小于该预定阈值，可根据如下等式(4)计算GPS权重和DR权重：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_1={\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{PRE}1},& e.g.,0\\ {\mathrm{\&beta;}}_2={\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{PRE}2},& e.g.,1\end{array}\right.---\left(4\right)$

有利的是，由于DR导航单元108在短时间内定位精度较高，并且GPS导航单元102的定位精度不受时间影响，通过将GPS导航单元102与DR导航单元108相结合，使GPS导航单元102与DR导航单元108的特点形成互补。一方面，由于GPS导航单元102实时接收卫星信号并且GPS导航信息116的误差不会随着时间累计。如果接收到的卫星信号可靠，由GPS导航单元102确定的车辆位置和方向将具有较高的精度。因此，可靠的GPS导航信息116可以为DR导航单元108提供航位推算的初始值，辅助DR导航单元108进行定位误差的校正并且修正DR导航单元108的系统参数。

此外，在某些不可靠的情况下(例如，车辆停止或卫星信号不可靠)，GPS导航单元102定位存在随机误差和定位的断点。由于DR导航单元108连续推算的车辆位置和方向在短时间内具有较高的精度，若GPS导航信息116出现随机误差，则可通过将GPS导航信息116的权重设为一个较低值并将DR导航信息132的权重设为一个较高值，采用DR导航信息132对GPS导航信息116的随机误差进行补偿，使得定位的轨迹能够平滑。因此，采用组合导航系统100具有更高精度以及更可靠的导航性能。

图2所示为根据本发明的一个实施例的更新如图1所示的DR导航单元108的参考位置和方向的方法流程图200。图2将结合图1进行描述。

在方框202中，GPS导航单元102根据接收到的卫星信号计算并产生GPS导航信息116。在方框204中，Kalman滤波器144可滤除GPS导航信息116中的噪声。在方框206中，Kalman滤波器144根据卫星信号的CNR以及由GPS导航单元102测量得到的车辆线速度的平均值，判断接收到的卫星信号的可靠度。

如果在一段时间内(例如，90秒)车辆的线速度的平均值VGPS_AVER大于预设值V_PRE(例如，6m/s)，并且具有CNR大于一个预定阈值(例如，30db-hz)的卫星信号的个数N_{SAT(CNR＞LPRE)}大于一个预定值NPRE(例如，3个)，则认为接收到的卫星信号是可靠的。流程图200进至方框208，在方框208中，采用GPS导航信息116更新DR导航单元108的参考位置和方向。

如果在一段时间内(例如，90秒)车辆的线速度的平均值VGPSAVER小于预设值V_PRE(例如，6m/s)，或者具有CNR大于30db-hz的卫星信号的个数N_{SAT(CNR＞LPRE)}小于3，则认为接收到的卫星信号是不可靠的。流程图200进至方框210，在方框210中，DR导航单元108可根据推算得到的DR导航信息132更新参考位置和方向。

在方框212中，DR导航单元108采用多个运动感应器测量车辆的移动信息，并根据测量到的车辆移动信息和参考位置及方向推算车辆的当前位置和方向。

由此可见，在DR导航单元108进行航位推算的过程中，通过不断地更新DR导航单元108的参考位置和方向，从而纠正DR导航信息132中的累计误差。由此，当卫星信号不可靠时，则由DR导航单元108根据当前的参考位置和方向计算车辆的位置和方向，而当前的参考位置和方向则由最近且可靠的GPS导航信息116更新。因此，可以实现GPS导航单元102定位和DR导航单元108定位之间的平滑切换。

图3所示为根据本发明的一个实施例的估计如图1中DR导航单元108中的陀螺仪112的参数值的方法流程图300。如前所述，陀螺仪112的参数值可用于修正由陀螺仪112测量到的角速度的误差。陀螺仪112的参数包括(但不仅限于)零漂和刻度因子。由于陀螺仪112的参数值会随着时间变化，在导航过程中，需要不断对陀螺仪112的当前参数值进行估计。图3将结合图1进行描述。

当组合导航系统100启动后，GPS导航单元102开始工作。在方框302中，从陀螺仪112的一个存储单元中(未示于图1中)读出陀螺仪112的初始参数，包括初始零漂B_{GYRO_0}和初始刻度因子S_{GYRO_0}。在另一个实施例中，存储单元也可以设于陀螺仪112之外。在方框304中，陀螺仪112接收由GPS导航单元102发出其所测量到的线速度V_GPS和角速度W_GPS。在方框306中，陀螺仪112测量车辆当前的角速度W_GYRO，并根据如下等式(5)所示，采用初始零漂对测量到的角速度W_GYRO进行修正：

W_GYRO＝W_GYRO+B_{GYRO_0}        (5)

在方框308中，如果GPS导航单元102测量到的线速度V_GPS小于一个预定阈值V_PRE1，表示车辆处于停止状态，以及/或者如果GPS导航单元102测量到的线速度V_GPS大于一个预定阈值V_PRE2并且GPS导航单元102测量到的角速度W_GPS的绝对值小于一个预定阈值W_PRE，表示车辆处于直行状态，则认为在方框306中修正后的角速度W_GYRO是合格的，并存储于一个存储单元(未显示于图1中)中，用于后续的计算。在方框310中，如果存储于存储单元中的合格的角速度W_GYRO的个数不小于一个预定阈值N_PRE，则流程图300进至方框312，在方框312中，采用N_PRE个合格的角速度W_GYRO根据如下等式(6)计算第一零漂偏移量deltaB1：

deltaB1＝-mean(W_GYROs)         (6)

其中，函数mean()用于计算N_PRE个合格的角速度值W_GYRO的平均值。在一个实施例中，N_PRE可设为50个。当计算得到第一零漂偏移量deltaB1之后，存储单元可从N_PRE个合格的角速度W_GYRO中选出最早存入存储单元的角速度，并将其从存储单元中删除。

在流程图300的方框308中，如果GPS导航单元102测量到的线速度V_GPS大于预定阈值V_PRE1并小于预定阈值V_PRE2，并且GPS导航单元102测量到的角速度W_GPS的绝对值不小于预定阈值W_PRE，或者在流程图300的方框310中，如果存储于存储单元中的合格的角速度W_GYRO的个数小于预定阈值N_PRE，则流程图300返回至方框304。

在方框314中，根据如下等式(7)，可以采用计算得到的第一零漂偏移量deltaB1对在方框306中修正后的角速度W_GYR再次进行修正。

W_GYRO＝W_GYRO+deltaB1          (7)

在方框316中，将GPS导航单元102输出的角速度W_GPS，在方框314中修正后的角速度W_GYRO以及初始刻度因子S_{GYRO_0}发送至陀螺仪中的Kalman滤波器142，从而估计陀螺仪112的参数值。在一个实施例中，Kalman滤波器142可对参数第二零漂偏移量deltaB2和当前刻度因子S_GYRO进行参数估计。

在方框318中，根据如下等式(8)，可以采用第一零漂偏移量deltaB1、第二零漂偏移量deltaB2和初始零漂B_{GYRO_0}计算陀螺仪112当前的零漂值B_GYRO。

B_GYRO＝B_{GYRO_0}+deltaB1+deltaB2       (8)

在方框320中，根据如下等式(9)，可采用在方框316中估计得到的当前刻度因子S_GYRO和在方框318中计算得到的当前零漂值B_GYRO对由陀螺仪测量的车辆角速度W_GYRO进行第三次修正：

W_GYRO＝S_GYRO*W_GYRO+B_GYRO        (9)

修正后的角速度W_GYRO可作为车辆的测量角速度W_DR 130发送至DR模块114中以计算DR导航信息。在一个实施例中，修正后的角速度W_GYRO也可发送至里程表110用于控制里程表110的参数估计。

此外，在方框316中在对陀螺仪112的当前刻度因子S_GYRO进行参数估计之后，并且在方框318中在计算得到陀螺仪112的当前零漂值B_GYRO之后，流程图300进至方框322，在方框322中，每隔一段时间(例如，30分钟)将存储于陀螺仪112的存储单元内的初始参数值，包括初始零漂B_{GYRO_0}和初始刻度因子S_{GYRO_0}更新为当前零漂B_GYRO和当前刻度因子S_GYRO。

图4所示为根据本发明的一个实施例的估计如图1所示DR导航单元108中的里程表110的参数值的方法流程图400。如前所述，里程表110的参数可用于修正由里程表110测量得到的线速度的误差。里程表110的参数包括(但不仅限于)车轮半径、车轮转一周对应输出脉冲数、车轮半径/速度的比例因子，以及车轮半径的静态误差。由于里程表110的参数值会随着时间变化(例如，由于轮胎的磨损导致车轮半径发生变化)，在导航过程中，需要不断地对里程表110的当前参数值进行估计。图4将结合图1进行描述。

当组合导航系统100启动后，GPS导航单元102开始工作。在方框402中，从里程表110的存储单元中(未示于图1中)读出里程表110的初始参数，包括车轮转一周对应输出脉冲数K_{ODO_0}，初始车辆半径R_{ODO_0}，初始车轮半径速度比例因子C_{ODO_0}以及车轮半径的初始静态误差deltaR0。在另一个实施例中，存储单元也可以设于里程表110之外。在方框404中，里程表110接收由GPS导航单元102测量到的线速度V_GPS和角速度W_GPS，并接收由陀螺仪112测量到的角速度W_DR 130。在方框406中，里程表110对单位时间内的车轮脉冲数进行计数，并根据如下等式(10)计算当前线速度V_ODO：

V_ODO＝K_ODO/K_ODO0*2π*R_ODO0        (10)

其中，K_ODO表示单位时间内的车轮脉冲数。

在方框408中，如果线速度V_GPS122大于一个预设阈值V_PRE并且角速度V_DR130小于一个预设阈值W_PRE，表示车辆的运行状态正常，则在方框410中，V_ODO可用于估计里程表110的参数值；在方框408中，如果线速度V_GPS122不大于一个预设阈值V_PRE或者角速度V_DR130不小于一个预设阈值W_PRE，表示车辆的运行状态异常，流程图400返回方框404，以获取新的线速度V_GPS122和角速度V_DR130。

在方框410中，将由GPS导航单元102测量到的线速度V_GPS、由里程表110测量的线速度V_ODO、初始车轮半径/速度比例因子C_{ODO_0}以及车轮半径的初始静态误差deltaR0发送至里程表110中的Kalman滤波器140，用于估计里程表110的参数值。在一个实施例中，Kalman滤波器140可用于估计当前车轮半径/速度比例因子C_ODO，以及车轮半径的当前静态误差deltaR。

在方框412中，可根据如下等式(11)计算当前的车轮半径R_ODO：

R_ODO＝C_ODO*V_ODO+R_ODO0+deltaR    (11)

其中，C_ODO表示当前车轮半径/速度比例因子；deltaR表示车轮半径的当前静态误差；V_ODO表示里程表110测量的线速度；R_{ODO_0}表示初始车轮半径。

在方框414中，可根据如下等式(12)修正由里程表测量的线速度V_ODO：

V_ODO＝2π*R_ODO*K_ODO/K_{ODO_0}       (12)

随后，修正后的线速度V_ODO即可作为线速度V_DR128被发送至DR模块114。

此外，在方框410中，在对当前车轮半径/速度比例因子C_ODO和车轮半径的当前静态误差deltaR进行参数估计之后，并且在方框412中，在计算得到当前的车轮半径R_ODO之后，流程图400进至方框416，在方框416中，每隔一段时间(例如，30分钟)将存储于里程表110的存储单元内的初始参数值，包括初始车轮半径/速度比例因子C_{ODO_0}、车轮半径的初始静态误差deltaR0以及初始车轮半径R_{ODO_0}更新为当前车轮半径速度/比例因子C_ODO、车轮半径的当前静态误差deltaR以及当前的车轮半径R_ODO。

图5所示为根据本发明的一个实施例的由如图1所示组合导航系统100所执行的操作流程图500。图5将结合图1和图2进行描述。

当组合导航系统100启动后，在方框502中，GPS导航单元102根据接收到的卫星信号产生GPS导航信息116。在方框504中，Kalman滤波器144滤除GPS导航信息116中的噪声。在方框506中，Kalman滤波器144根据卫星信号的CNR以及由GPS导航单元102测量得到的车辆线速度的平均值V_{GPS_AVER}，判断接收到的卫星信号的可靠度。

如果在一段时间内(例如，90秒)车辆的线速度的平均值V_{GPS_AVER}大于预设值V_PRE(例如，6m/s)，并且具有CNR大于一个预定阈值L_PRE(例如，30db-hz)的卫星信号的个数N_SAT大于一个预定值N_PRE(例如，3个)，则认为接收到的卫星信号是可靠的。流程图500进至方框508，在方框508中，可采用GPS导航信息116更新DR导航单元108的参考位置和方向。

如果在一段时间内(例如，90秒)车辆的线速度的平均值VGPS_AVER小于预设值V_PRE(例如，6m/s)，或者具有CNR大于30db-hz的卫星信号的个数N_SAT小于3，则认为接收到的卫星信号是不可靠的。流程图500进至方框510，在方框510中，DR导航单元108可根据推算得到的DR导航信息132更新参考位置和方向。

在方框512中，DR导航单元108采用多个运动感应器测量车辆的移动信息，并根据测量得到的车辆移动信息和参考位置及方向推算车辆的当前位置和方向。

在方框514中，由权重模块104计算GPS导航信息116的权重和DR导航信息132的权重。在方框516中，Kalman滤波器106可根据GPS导航信息116的权重和DR导航信息132的权重整合GPS导航信息116和DR导航信息132，从而得到观测信息。在方框518中，Kalman滤波器106通过整合当前的观测信息与先前计算得到的导航信息，从而得到车辆当前的导航信息148。

综上所述，本发明提供了一种组合导航系统，该组合导航系统包括一个GPS导航单元，用于根据卫星信号产生运动物体的GPS导航信息。该组合导航系统还包括一个DR导航单元，用于根据运动物体的运动信息以及存储于DR导航单元内的参考位置和方向推算运动物体当前的DR导航信息。若卫星信号可靠，则采用GPS导航信息更新DR导航单元的参考位置和方向；若卫星信号不可靠，则采用先前推算的DR导航信息更新DR导航单元内的参考位置和方向。此外，DR导航单元可采用一组运动感应器测量运动物体的运动信息，GPS导航单元测量得到的线速度和角速度可输入DR导航单元中以估计运动感应器的参数值，并根据估计的参数值对测量的运动信息进行误差修正。由此，当卫星信号不可靠时，DR导航单元的最新参数可用于平滑GPS导航单元定位和DR导航单元定位之间的切换。

此外，本发明的组合导航系统还包括Kalman滤波器，可根据GPS导航信息的权重和DR导航信息的权重整合GPS导航信息和DR导航信息，从而得到观测信息。随后，Kalman滤波器再通过整合当前的观测信息与在先前多个时刻计算得到的导航信息，从而得到车辆当前的导航信息。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (19)

1.一种组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统包括：

耦合于运动物体的全球定位系统(GPS)导航单元，用于根据卫星信号周期性地计算所述运动物体的GPS导航信息；

耦合于所述运动物体的航位推算(DR)导航单元，用于根据所述运动物体的运动信息与存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算所述运动对象的DR导航信息；以及

耦合于所述GPS导航单元和DR导航单元的Kalman滤波器，用于周期性地计算所述运动物体的导航信息，其根据所述GPS导航信息的权重和所述DR导航信息的权重，整合所述GPS导航信息与所述DR导航信息，以得到导航观测信息，再整合所述导航观测信息与所述运动物体在先前多个时刻的导航信息，以得到所述运动物体当前的导航信息。

2.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括：

耦合于所述GPS导航单元的权重模块，用于计算所述GPS导航信息的所述权重和所述DR导航信息的所述权重。

3.根据权利要求2所述的组合导航系统，其特征在于，如果具有载波噪声比(CNR)大于第一预设阈值的所述卫星信号的个数不小于第二预设阈值，所述权重模块根据所述卫星信号的位置精度衰减因子计算所述GPS导航信息的所述权重和所述DR导航信息的所述权重。

4.根据权利要求2所述的组合导航系统，其特征在于，如果具有CNR大于第一预设阈值的所述卫星信号的个数小于第二预设阈值，所述权重模块将所述GPS导航信息的所述权重设为第一预设值，并将所述DR导航信息的所述权重设为第二预设值。

5.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括：

耦合于所述GPS导航单元的滤波器，用于减少所述GPS导航信息的噪声。

6.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，如果由所述GPS导航单元测量得到的所述运动物体的线速度的平均值大于第一阈值，并且具有CNR大于第二预设阈值的所述卫星信号的个数大于第三预设阈值，则根据所述GPS导航信息更新存储于所述DR导航单元内的所述参考位置和方向。

7.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括：

耦合于所述运动物体的陀螺仪，用于测量所述运动物体的角速度；以及

耦合于所述运动物体的里程表，用于测量所述运动物体的线速度，其中所述运动物体的所述运动信息包括所述角速度和所述线速度。

8.根据权利要求7所述的组合导航系统，其特征在于，所述陀螺仪包括滤波器，用于根据由所述陀螺仪测量得到的所述角速度和由所述GPS导航单元测量得到的角速度对所述陀螺仪的参数值进行参数估计，所述陀螺仪根据所述估计的参数值修正所述测量得到的角速度。

9.根据权利要求7所述的组合导航系统，其特征在于，所述里程表包括滤波器，用于根据由所述里程表测量得到的所述线速度和由所述GPS导航单元测量得到的线速度对所述里程表的参数值进行参数估计，所述陀螺仪根据所述估计的参数值修正所述测量得到的线速度。

10.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，所述组合导航系统还包括显示屏，用于显示所述运动物体的所述当前导航信息。

11.一种组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法至少包括下列步骤：

根据卫星信号周期性地计算运动物体的GPS导航信息；

根据所述运动物体的运动信息与存储于所述DR导航单元内的参考位置和方向，周期性地推算所述运动对象的DR导航信息；

根据所述GPS导航信息的权重和所述DR导航信息的权重整合所述GPS导航信息与所述DR导航信息，得到导航观测信息；以及

整合所述导航观测信息与所述运动物体在先前多个时刻的导航信息，得到所述运动物体当前的导航信息。

12.根据权利要求11所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

根据GPS导航信息计算所述GPS导航信息的所述权重和所述DR导航信息的所述权重。

13.根据权利要求11所述的组合导航方法，其特征在于，所述根据GPS导航信息计算所述GPS导航信息的所述权重和所述DR导航信息的所述权重的步骤进一步包括：

如果具有CNR大于第一预设阈值的所述卫星信号的个数不小于第二预设阈值，根据所述卫星信号的位置精度衰减因子计算所述GPS导航信息的所述权重和所述DR导航信息的所述权重；以及

如果具有CNR大于第一预设阈值的所述卫星信号的个数小于第二预设阈值，将所述GPS导航信息的所述权重设为第一预设值，并将所述DR导航信息的所述权重设为第二预设值。

14.根据权利要求11所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

滤除所述GPS导航信息的噪声。

15.根据权利要求11所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

如果由所述GPS导航单元测量得到的所述运动物体的线速度的平均值大于第一阈值，并且具有CNR大于第二预设阈值的所述卫星信号的个数大于第三预设阈值，则根据所述GPS导航信息更新存储于所述DR导航单元内的所述参考位置和方向。

16.根据权利要求11所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

测量所述运动物体的角速度；以及

测量所述运动物体的线速度，其中所述运动物体的所述运动信息包括所述角速度和所述线速度。

17.根据权利要求16所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

根据由所述陀螺仪测量得到的所述角速度和由所述GPS导航单元测量得到的角速度对所述陀螺仪的参数值进行参数估计；以及

根据所述估计的参数值，修正所述陀螺仪测量得到的角速度。

18.根据权利要求16所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

根据由所述里程表测量得到的所述线速度和由所述GPS导航单元测量的线速度对所述里程表的参数值进行参数估计；以及

根据所述估计的参数值，修正所述里程表测量得到的线速度。

19.根据权利要求16所述的组合导航方法，其特征在于，所述组合导航方法还包括下列步骤：

显示所述运动物体的所述当前导航信息。

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