CN101867868B - 一种组合导航装置和实施方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种组合导航装置和实施方法,所述装置包括MINS、地磁罗盘航向系统、GPS、CDMA手机网络定位系统。本发明方法如下:导航计算机利用时间同步模块从四个RS232串行口同步接收GPS导航数据、MINS航位推算数据、CDMA手机网络定位系统数据、地磁罗盘航向计,并根据GPS信号载噪比,CDMA手机网络信号质量进行实时的、自适应的组合导航,最后由导航计算机通过导航数据显示模块实时显示最终的导航数据。本发明体积小、功耗低、成本低,且功能齐全、接口丰富,完全能满足地面城市交通、航海以及小型智能机器人等中低精度的定位和定向的要求。

Description

一种组合导航装置和实施方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种GPS导航、惯性导航、CDMA手机网络、地磁罗盘四种导航方式组合的导航装置和实施方法,属于城市交通、航海等中低精度要求的导航定位装置和实施方法的技术领域。
背景技术
[0002] 惯性导航的基本原理是根据牛顿力学定律,通过测量载体在惯性参考系的加速度和角速度,将他们对时间进行积分,并把它变换到导航坐标系统中,就能够得到在导航坐标系中的速度、位置和姿态角信息等。所以,它是一种不依赖于任何外部信息,也不向外辐射能量的自主式导航系统。具有良好的隐蔽性,其工作环境不仅包括控制、地球表面,还可以在水下。比如,1958年美国“皇后鱼”号核潜艇依靠惯性导航系统穿过北极在冰下航行21天;美国“阿波罗”号飞船上也装备了捷联式惯性导航系统。目前,惯性导航在海、陆、空、天等各领域都得到了广泛的应用。
[0003] GPS导航系统的特点是覆盖面广,尤其是在野外和海上具有非常好的定位效果。CDMA手机网络定位的覆盖范围有限,而且定位精度受CDMA手机网络基站的密度等影响较大,而它的这一特点正好可以弥补GPS导航网络的定位“盲区”,尤其是在闹市区、室内、隧道等GPS信号被遮挡严重的地区,往往是CDMA手机网络基站的密集区,因此CDMA手机网络定位可以在很大程度上弥补GPS定位系统的盲区,从而使本定位系统的应用范围大大扩展。惯性导航系统的特点是短时间内定位精度高,动态性能好,且属于自主定位,不需要接收外部定位信号,在GPS网络和CDMA手机网络均无法提供定位服务时,可以提供短时间的定位服务。
[0004] 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,如室内、高层建筑密集的市区等地方,则无法进行GPS导航。而解决此问题可以通过CDMA手机网络导航系统和惯性导航系统来确定具体位置,例如当汽车从GPS信号区进入室内停车场,由于建筑物的遮挡进入了 GPS信号盲区。
发明内容
[0005] 本发明主要的目的在于提出一种(MINS/CDMA手机网络/地磁罗盘/GPS)组合导航的装置和实施方法,此导航装置及方法克服了传统GPS/MINS导航方法经常由于遮挡不能准确定位的欠缺,可以在GPS信号由于遮挡不能准确定位时,继续利用MINS/地磁罗盘/CDMA手机网络进行组合定位,从而可以提供覆盖范围更大、可靠性更高也更精确的定位服务。
[0006] 本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
[0007] 本发明组合导航装置,其特征在于包括:[0008] GPS导航模块,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;
[0009] MINS惯性导航模块,用于采集惯性导航数据;
[0010] CDMA手机网络导航模块,根据CDMA手机网络导频信号的到达时差(TDOA),进行定位;
[0011] 地磁罗盘导航模块,地磁罗盘模块内部包含了三轴磁通量计,根据其自带的全球地磁数据库实时的提供载体的方位角;
[0012] 时间同步模块,将GPS导航模块、CDMA手机网络导航模块、地磁罗盘导航模块以及MINS微惯性导航模块的导航数据输出进行时间同步;
[0013] 导航计算机,用于接收上述四种导航模块的导航数据,并根据GPS导航模块和CDMA手机网络导航模块的信号强弱情况,通过联邦卡尔曼滤波进行组合导航定位。其中,所述CDMA手机网络导航模块,根据CDMA手机网络导频信号的到达时差(TDOA),通过三角定位算法进行定位;
[0014] 子滤波器I,负责MINS和GPS的位置和速度信息融合,其量测信息主要是指GPS和SINS形成的位置、速度信息;
[0015] 子滤波器2,负责MINS和CDMA手机网络信息融合,其量测信息主要指二者的位置信息融合;
[0016] 子滤波器3,负责MINS和地磁罗盘位置和姿态信息融合,其量测信息是地磁罗盘和MINS形成的位置、速度观测信息;
[0017] 主滤波器,一方面对各子滤波器进行信息综合与分配,另一方面将系统状态误差的估计值反馈给惯导系统,以校正其累积误差。其中,所述MINS惯性导航模块包括:
[0018] 加速度采集单元,与MINS惯性导航模块相连接,用于实时采集加速度数据;
[0019] MEMS陀螺仪单元,与MINS惯性导航模块相连接,用于实时采集角速率。其中,所述地磁罗盘导航模块包括:
[0020] 地磁场采集单元,用于采集载体所在位置沿东-北-天三个方向的地磁强度;
[0021] 全球地磁场数据库,数据库中包含了全球任意经纬度的地磁信息,地磁罗盘导航模块根据地磁场采集单元采集到得地磁场强度数据、载体所在的经纬度和全球地磁场数据库确定出载体的航向。
[0022] 其中,所述时间同步模块包括:
[0023] GPS秒脉冲信号接收端,用于接收来自GPS导航模块的秒脉冲同步信号,
[0024] AVR系列ATMEGA128单片机,通过所述单片机的串口接收来自各个导航模块的导航数据,利用所述单片机的计数器对来自所述GPS导航模块的秒脉冲信号进行计数,最后用拉格朗日插值算法对MINS微惯性导航模块、CDMA手机网络导航模块和地磁罗盘导航模块的导航数据进行插值计算,最终对各个导航模块的导航数据进行时间同步。
[0025] 一种组合导航实施方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0026] I)采用GPS导航模块接收GPS信号,并解析生成GPS导航数据;
[0027] 2)通过MINS惯性导航模块采集惯性导航数据;
[0028] 3)通过CDMA手机网络导航模块接收手机网络导频信号的到达时差(TDOA),通过定位算法进行定位;[0029] 4)通过地磁罗盘导航模块采集地磁罗盘数据,并输出载体的航向角;
[0030] 5)选择MINS微惯性导航系统为公共参考系统,分别与其余子系统即GPS导航系统、CDMA手机网络导航系统和地磁罗盘导航系统分别组合,构成3个卡尔曼滤波子系统;根据所述GPS导航数据确定的GPS信号载噪比、地磁罗盘导航模块得到的航向角以及所述CDMA手机网络导频信号质量,动态的改变惯性导航信息在各子滤波器中的分配系数;根据GPS导航模块和CDMA手机网络导航模块的信号强弱情况,利用联邦卡尔曼滤波对所述GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、
[0031] MINS惯性导航数据在主滤波器中进行数据融合,生成导航数据;
[0032] 6)输出导航数据。其中,所述的一种组合导航实施方法,其特征在于,根据所述GPS导航数据确定GPS信号载噪比,根据所述CDMA手机网络导频信号质量,对所述GPS导航数据、所述惯性导航数据、所述地磁罗盘数据和所述CDMA手机网络定位数据进行联邦卡尔曼滤波,步骤5)所述的生成导航数据的步骤还包括:
[0033] V)判断GPS信号载噪比;
[0034] VI)判断CDMA手机网络导频信号质量;
[0035] VII)根据GPS信号载噪比和CDMA手机网络导频信号质量即信号的强弱动态的确定在进行联邦卡尔曼滤波时,惯性导航信息在MINS/GPS导航子滤波器、MINS/CDMA手机网络定位导航子滤波器中的利用权重;
[0036] VIII)根据所述惯性导航数据在各子滤波器中的权重,在主滤波器中进行导航数据融合,生成导航数据。
[0037] 其中,所述GPS信号强弱根据载噪比及卫星个数确定,若载噪比大于等于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为强;若载噪比大于等于20dB/Hz并小于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为弱;弱载噪比小于20dB/Hz或者卫星个数小于等于4个,则为GPS信号盲区;
[0038] 所述CDMA手机网络导频信号强弱根据CDMA手机网络导频信号质量已经CDMA手机网络基站个数确定,若信号质量大于等于50dB且CDMA基站数大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为强;若导频信号质量大于等于25dB且小于50B同时CDMA基站数量大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为弱;若导频信号质量小于25dB或者CDMA基站数量小于3个,则为CDMA手机网络导频信号盲区。
[0039] 其中,在联邦卡尔曼滤波系统中,所述各子滤波器中的惯性导航信息分配系数的总和为I ;
[0040] 其中,所述的组合导航实施方法:
[0041] a)若所述GPS信号为强,则所述惯性导航信息分配系数在MINS/GPS导航子滤波器中取O. 2,其余子滤波器的分配系数约为O. 4 ;
[0042] b)若所述GPS信号为弱,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 4,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 2,其余的子滤波器的分配系数取O. 4 ;
[0043] c)若所述GPS信号微弱,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 33,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 33,其余的子滤波器的分配系数取O. 33 ;[0044] d)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 9,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 05,其余的子滤波器的分配系数取O. 05 ;
[0045] e)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02 ;
[0046] f)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为盲区,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02。
[0047] 本发明实时根据GPS接收系统提供的位置和速度信息、CDMA手机网络提供的位置信息、地磁罗盘提供的航向信息对此组合导航系统的误差进行实时的校正和补偿,克服了GPS定位方法由于信号遮挡不能正常定位的欠缺,也解决了 MINS定位技术中由于陀螺仪和 加速度计随时间积累误差较大,不能单独、长时间定位的问题。更重要的是,由于本系统同时集成了 CDMA手机定位系统、地磁罗盘和GPS定位系统,因此在GPS不能正常工作的情况下,仍可利用CMDA手机定位系统提供的位置信息和地磁罗盘提供的航向信息对MINS系统的误差进行实时的校正和补偿。本发明体积小、功耗低、成本低,且功能齐全、接口丰富,完全能满足地面城市交通、航海以及小型智能机器人等中低精度的定位和定向的要求。
附图说明
[0048] 图I本发明第一实施例原理示意图。
[0049] 图2本发明第一实施例惯性导航模块示意图。
[0050] 图3本发明第一实施例利用联邦卡尔曼滤波组合导航方法示意图。其中:
[0051] Xl、X2、X3表不各子滤波器的局部最优估计;
[0052] P1、P2、P3分别表示估计值XI、X2、X3的均方误差阵;
[0053] β I、β 2、β 3表示各子滤波器中惯导信息分配系数;
[0054] Xg表示MINS/GPS/CDMA手机网络/地磁罗盘组合导航系统通过联邦卡尔曼滤波进行数据融合后得到的最和导航结果。
[0055] 图4本发明第一实施例判断GPS信号强度、判断CDMA手机网络信号强度及确定导惯导信息量分配系数流程示意图。其中:
[0056] β I :MINS/GPS子滤波器的惯导信息分配系数;
[0057] β 2 :MINS/CDMA手机网络子滤波器的惯导信息分配系数;
[0058] β 3 :ΜΙΝ/地磁罗盘子滤波器的惯导信息分配系数。
[0059] 图5时间同步模块同步原理示意图。
[0060] 图6本发明第一实施例MINS模块是GPS模块数据同步示意图。
具体实施方式
[0061] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
[0062] 本发明实施例的一种(MINS/GPS/CDMA手机网络/地磁罗盘)组合导航装置和方法,通过接收GPS信号解析成GPS导航数据,通过CDMA手机网络导频信号到达时间差进行三角定位,通过惯性采集模块实时采集的惯性导航数据,通过地磁罗盘采集地磁数据,实时确定载体的航向角。根据GPS信号强弱、CDMA手机网络信号强弱按图四所示方法动态的确定各子滤波器中惯性导航信息分配系数,通过导航计算机中的联邦卡尔曼滤波器对MINS微惯性导航数据、GPS卫星导航数据、CDMA手机网络定位数据和地磁罗盘方位角数据进行数组合导航,并通过显示模块向用户做出导航提示,从而使本发明能够提供比任何单一导航系统更精确稳定的导航数据, 并达到在GPS导航盲区或者GPS和CDMA手机网络均为盲区的情况下进行导航的目的。
[0063] 如图I所示,为本发明导航装置实施例原理示意图。该导航装置包括:CDMA手机网络导航模块1,用于接收CDMA手机网络导频信号,并利用各基站导频信号的到达时间差进行三角定位;惯性导航模块2,用于实时采集惯性导航数据;地磁罗盘导航模块3,用于实时的提供载体的方位角;GPS模块4,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;时间同步模块5,用于同步来自各个不同导航模块的导航数据;导航计算机模块6,根据所述GPS信号的强弱、CDMA手机网络信号的强弱动态的确定惯性导航信息分配系数,并利用联邦卡尔曼滤波器对所述GPS导航数据、CDMA手机网络定位数据、地磁罗盘方位角数据和惯性导航数据进行校正和数据融合,生成导航数据;数据显示模块7,以图像或者语音方式输出所述导航信息。所述时间同步模块5通过RS-232串行接口与所述GPS导航模块4、所述CDMA手机网络导航模块1,所述地磁罗盘模块3和所述惯性模块2连接。所述时间同步模块通过RS232串行口与所述导航计算机6连接。
[0064] 所述导航计算机模块6根据所述GPS模块4接收的GPS信号的强弱以及所述CDMA手机网络导航模块I的信号强弱按着图四所示的方式实时确定各子滤波器中的惯性导航信息分配系数,并利用如图三所示的联邦卡尔曼滤波器对GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、地磁罗盘导航数据和惯性导航数据进行数据融合,生成组合导航信息。所述融合是根据联邦卡尔曼滤波理论,选择惯性导航系统为公共参考系统,依次构成MINS/GPS子滤波器、MINS/CDMA手机网络子滤波器和MINS/地磁罗盘子滤波器,并利用所述三个子滤波器生成局部最优估计。最后根据各子系统惯性导航信息分配系数和各子系统的局部最优估计通过主滤波器进行全局最优估计,得到组合导航数据。所述惯性导航数据是指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、角度数据、角速度数据和角加速度等惯性数据。所述地磁罗盘导航数据是指利用地磁罗盘所确定的载体航向角。所述GPS导航数据是指对GPS信号进行处理生成的导航数据,可以是精度数据、纬度数据、速度数据、高度数据、航向数据以及卫星个数等。所述CDMA手机网络定位数据主要是指通过CDMA手机网络导频信号到达时间差确定的位置数据,包括精度数据、纬度数据等。所述惯性导航信息分配系数是指,在进行联邦卡尔曼滤波时,根据信息守恒定律,作为参考系统的惯性导航系统所能提供的导航信息总量是不变的。因为为了更好的率用惯性导航信息,就需要根据各子滤波器提供的估计信息质量的优劣,来合理确定惯性导航信息在各子滤波器中的使用权重。
[0065] 如图2所示,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、角速度采集单元22和惯性导航模块控制单元23.所述加速度采集单元21、角速度采集单元22通过I2总线与所述惯性导航模块控制单元单元23连接,经过惯性导航模块控制单元23处理后生成惯性导航数据。所述惯性导航模块控制单元23通过RS-232串口与导航计算机6相连,由导航计算机中的联邦卡尔曼滤波器进行滤波处理。[0066] 所述CDMA手机网络导航模块I采用高通公司的GPSONE模块,利用现有的CDMA手机网络导频信号,通过导频信号到达时间差进行手机网络定位,并通过RS-232串口与时间同步模块连接,并最终利用导航计算机中的三角定位算法对CDMA手机网络定位数据进行处理,进行CDMA手机网络定位。
[0067] 所述GPS导航模块4接收GPS信号,并对该GPS信号进行解析处理,生成GPS导航数据,由所述导航计算机6对GPS导航数据进行解析处理,生成GPS导航信息。
[0068] 一种(MINS/CDMA手机网络/地磁罗盘/GPS)组合导航方法,包括步骤:
[0069] DGPS信号,并解析生成GPS导航数据;
[0070] 2)通过惯性导航单元采集惯性导航数据;
[0071] 3)通过CDMA手机网络接收手机网络导频信号的到达时差(TDOA),通过定位算法进行定位;
[0072] 4)通过地磁罗盘采集地磁数据,并输出载体的航向角;
[0073] 5)选择MINS微惯性导航系统为公共参考系统,与其余子系统分别组合,构成3个卡尔曼滤波子系统;根据所述GPS导航数据确定的GPS信号载噪比、地磁罗盘得到的航向角以及所述CDMA手机网络导频信号质量,动态的改变惯性导航信息在各子滤波器中的分配系数。利用联邦卡尔曼滤波对所述GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、MINS惯性导航数据在主滤波器中进行数据融合,生成导航数据;
[0074] 7)输出导航数据。
[0075] 根据所述GPS导航数据确定GPS信号载噪比,根据所述CDMA手机网络导频信号质量,对所述GPS导航数据、所述惯性导航数据、所述地磁罗盘数据和所述CDMA手机网络定位数据进行联邦卡尔曼滤波,生成导航信息的步骤还包括:
[0076] I)判断GPS信号载噪比;
[0077] II)判断CDMA手机网络导频信号质量;
[0078] III)根据GPS信号载噪比和CDMA手机网络导频信号质量动态的确定在进行联邦卡尔曼滤波时,惯性导航信息在MINS/GPS导航子滤波器、MINS/CDMA手机网络定位导航子滤波器中的利用权重。
[0079] IV)根据所述惯性导航数据在各子滤波器中的权重,在主滤波器中进行导航数据融合,生成导航信息。
[0080] 如图3、图4所示,所述GPS信号强弱根据载噪比及卫星个数确定,若载噪比大于等于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为强;若载噪比大于等于20dB/Hz并小于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为弱;弱载噪比小于20dB/Hz或者卫星个数小于等于4个,则为GPS信号盲区。
[0081] 所述CDMA手机网络导频信号强弱根据CDMA手机网络导频信号质量已经CDMA手机网络基站个数确定,若信号质量大于等于50dB且CDMA基站数大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为强;若导频信号质量大于等于25dB且小于50B同时CDMA基站数量大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为弱;若导频信号质量小于25dB或者CDMA基站数量小于3个,则为CDMA手机网络导频信号盲区。
[0082] 在联邦卡尔曼滤波系统中,所述各子滤波器中的惯性导航信息分配系数的总和为
I ;[0083] 所述惯性导航信息分配的一般原则是:在所述个子滤波器中,子系统的精度越差,则惯性导航信息的信息分配系数就应该越大;子系统的精度越高,子滤波器的滤波精度受惯性导航信息分配系数的影响就越小,在这种情况下,惯性导航信息分配系数应该取得小些,以便使总量有限的惯性导航信息在较低精度子系统所在的子滤波器能充分发挥作用。
[0084] a)若所述GPS信号为强,则所述惯性导航信息分配系数在MINS/GPS导航子滤波器中取O. 2,其余子滤波器的分配系数约为O. 4 ;
[0085] b)若所述GPS信号为弱,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 4,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 2,其余的子滤波器的分配系数取O. 4 ;
[0086] c)若所述GPS信号为弱,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 33,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 33,其余 的子滤波器的分配系数取O. 33 ;
[0087] d)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 9,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 05,其余的子滤波器的分配系数取O. 05 ;
[0088] e)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02 ;
[0089] f)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为盲区,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02。
[0090] 如图5所示,所述时间同步模块5通过三个RS232串口同时接收来自⑶MA手机网络导航模块I、MINS惯性导航模块2、地磁罗盘模块3和GPS导航模块4的导航数据,并以GPS模块的秒脉冲信号作为时间基准,利用拉格朗日插值法对各个导航模块的导航数据进行时间同步。
[0091] 所述导航计算机模块6,通过一个RS232串口与时间同步模块5相连,接收来自经时间同步模块5同步后的导航数据,并用导航计算机模块6中的联邦卡尔曼滤波器对来自各个导航模块的导航数据进行融合,产生最优估计的组合导航数据。
[0092] 所述信息显示模块7,将导航计算机模块6输出的组合导航数据进行显示。
[0093] 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:
[0094] 所述导航计算6根据所述GPS模块4对GPS信号解析处理生成的GPS导航数据,根据GPS信号的载噪比和GPS卫星数量确定GPS信号的强弱;所述导航计算机6根据所述CDMA手机网络信号质量和CDMA手机网络基站数量确定CDMA手机网络导航信号强弱;所述导航计算机6根据GPS信号的强弱和CDMA手机网络信号的强弱确定各子滤波器中的惯性导航信息分配系数,最后利用导航计算机6中的联邦卡尔曼滤波器对GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、惯性导航数据、地磁罗盘导航数据进行数据处理和融合,生成导航信息。该导航信息通过信息显示模块7进行显示。
[0095] 所述GPS导航模块可以是NovAtel公司的0EMV-1GPS导航模块OEM板,所述惯性导航模块可以是InnaLabs公司的AHRS2航向姿态模块,所述CDMA手机网络导航模块可以是高通公司GPSONE手机导航模块,所述地磁罗盘模块可以是三维数字电子罗盘HMR3000。
[0096] 为了更清楚说明本发明装置实例,本发明时间同步模块具体结构和工作方式如下:
[0097] 所述时间同步模块需要对GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、地磁罗盘数据和惯性导航数据进行时间同步。如图5所示,整个时间同步模块由名为MUC1、MCU2、MCU3的三片ATMEGA128单片机构成,其中MCUl和MCU2利用其自带的两个串口分别接收来自四个导航模块的导航数据。MCU3通过并行数据总线接收经过MCUl和MCU2时间同步处理后的导航数据,并通过RS232串口传送给导航计算机。
[0098] MCUU MCU2、MCU3均利用GPS模块的秒脉冲作为时间基准,以达到精确同步的目的。MCU1、MCU2、MCU3利用GPS模块秒脉冲进行时间同步的原理为,GPS模块秒脉冲输出分别与与MCU1、MCU2、MCU3的外部中断引脚相连,每当MCU外部中断引脚收到GPS秒脉冲信 号时,会立即产生硬件中断,启动MCU内部的定时器。同时MCU会始终查询其各个串口的状态,每当串口收到数据时,以串口收到数据帧的尾部作为时标点,记录此时的定时器值以及此时刻对应的导航数据。当下次GPS秒脉冲信号到达MCU并产生中断时,MCU便可利用拉格朗日插值法,外推出当前时刻各导航模块的导航数据。
[0099] 下面以惯性导航数据与GPS导航数据进行时间同步的过程为例进行具体说明:
[0100] 设MINS的数据更新周期为TINS,由于INS频标漂移而导致的Tins变化是缓慢而细微的,这种漂移的累积效应只导致INS和GPS的时标差Λ t变化,可认为Tins是恒定的。GPS的秒同步脉冲(1PPS,每秒一个脉冲)和UTC(世界协调时)秒点是对齐的,是非常准确的。GPS接收机严格地在每一个IPPS脉冲的边沿时刻进行一次伪距、伪距变化率、载波相位测量、GPS标准授时、定位等测量,所以可以认为GPS的数据更新频率就是准确的1Hz。Tins远远小于1S,一般都小于50ms,所以,利用GPS的IPPS秒脉冲作为同步的标准时刻,进行融合数据的同步是很好的选择。
[0101] 两路数据的同步示意图如图6所示,图中长竖线表示GPS的IPPS脉冲,即GPS数据更新点;短竖线表示INS数据更新时刻。从图6可以看出,在GPS数据更新点上,INS没有数据输出。设INS和GPS的同步时间差为Λ τ而在同步时间点(1PPS脉冲上沿)上,INS和GPS的时标差为At。只要得到每个IPPS脉冲之前的INS输出同步时间差Λ τ经过拉格朗日插值外推即可算出INS在每个IPPS点上的值,这样就获取到了两路信号在同一时间点上的同步化量测数据。

Claims (10)

1. 一种组合导航装置,其特征在于包括: GPS导航模块,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; MINS微惯性导航模块,用于采集惯性导航数据; CDMA手机网络导航模块,根据CDMA手机网络导频信号的到达时差(TDOA),进行定位;地磁罗盘导航模块,地磁罗盘模块内部包含了三轴磁通量计,根据其自带的全球地磁数据库实时的提供载体的方位角; 时间同步模块,将GPS导航模块、CDMA手机网络导航模块、地磁罗盘导航模块以及MINS微惯性导航模块的导航数据输出进行时间同步; 导航计算机,用于接收上述四种导航模块的导航数据,并根据GPS导航模块和CDMA手机网络导航模块的信号强弱情况,通过联邦卡尔曼滤波进行组合导航定位; 子滤波器1,负责MINS和GPS的位置和速度信息融合,其量测信息主要是指GPS和SINS形成的位置、速度信息; 子滤波器2,负责MINS和CDMA手机网络信息融合,其量测信息主要指二者的位置信息融合; 子滤波器3,负责MINS和地磁罗盘位置和姿态信息融合,其量测信息是地磁罗盘和MINS形成的位置、速度观测信息; 主滤波器,一方面对各子滤波器进行信息综合与分配,另一方面将系统状态误差的估计值反馈给惯导系统,以校正其累积误差。
2.根据权利要求I所述的一种组合导航装置,其特征在于,所述CDMA手机网络导航模块,根据CDMA手机网络导频信号的到达时差(TDOA),通过三角定位算法进行定位。
3.根据权利要求I所述的一种组合导航装置,其特征在于,所述MINS微惯性导航模块包括: 加速度采集单元,与MINS微惯性导航模块相连接,用于实时采集加速度数据; MEMS陀螺仪单元,与MINS微惯性导航模块相连接,用于实时采集角速率。
4.根据权利要求I所述的一种组合导航装置,其特征在于,所述地磁罗盘导航模块包括: 地磁场采集单元,用于采集载体所在位置沿东-北-天三个方向的地磁强度; 全球地磁场数据库,数据库中包含了全球任意经纬度的地磁信息,地磁罗盘导航模块根据地磁场采集单元采集到的地磁场强度数据、载体所在的经纬度和全球地磁场数据库确定出载体的航向。
5.根据权利要求I所述的一种组合导航装置,其特征在于,所述时间同步模块包括: GPS秒脉冲信号接收端,用于接收来自GPS导航模块的秒脉冲同步信号; AVR系列ATMEGA128单片机,通过所述单片机的串口接收来自各个导航模块的导航数据,利用所述单片机的计数器对来自所述GPS导航模块的秒脉冲信号进行计数,最后用拉格朗日插值算法对MINS微惯性导航模块、CDMA手机网络导航模块和地磁罗盘导航模块的导航数据进行插值计算,最终对各个导航模块的导航数据进行时间同步。
6. 一种组合导航实施方法,其特征在于,包括如下步骤: 1)采用GPS导航模块接收GPS信号,并解析生成GPS导航数据; 2)通过MINS微惯性导航模块采集惯性导航数据;3)通过CDMA手机网络导航模块接收手机网络导频信号的到达时差(TDOA),通过定位算法进行定位; 4)通过地磁罗盘导航模块采集地磁罗盘数据,并输出载体的航向角; 5)选择MINS微惯性导航系统为公共参考系统,分别与其余子系统即GPS导航系统、CDMA手机网络导航系统和地磁罗盘导航系统分别组合,构成3个卡尔曼滤波子系统;根据所述GPS导航数据确定的GPS信号载噪比、地磁罗盘导航模块得到的航向角以及所述CDMA手机网络导频信号质量,动态的改变惯性导航信息在各子滤波器中的分配系数;利用联邦卡尔曼滤波对所述GPS导航数据、CDMA手机网络导航数据、MINS惯性导航数据在主滤波器中进行数据融合,生成导航数据; 6)输出导航数据。
7.根据权利要求6所述的一种组合导航实施方法,其特征在于,根据所述GPS导航数据确定GPS信号载噪比,根据所述CDMA手机网络导频信号质量,对所述GPS导航数据、所述惯 性导航数据、所述地磁罗盘数据和所述CDMA手机网络定位数据进行联邦卡尔曼滤波,步骤5)所述的生成导航数据的步骤还包括: I)判断GPS信号载噪比; II)判断CDMA手机网络导频信号质量; III)根据GPS信号载噪比和CDMA手机网络导频信号质量即信号的强弱动态的确定在进行联邦卡尔曼滤波时,惯性导航信息在MINS/GPS导航子滤波器、MINS/CDMA手机网络定位导航子滤波器中的利用权重; IV)根据所述惯性导航数据在各子滤波器中的权重,在主滤波器中进行导航数据融合,生成导航数据。
8.根据权利要求7所述的一种组合导航实施方法,其特征在于: 所述GPS信号强弱根据载噪比及卫星个数确定,若载噪比大于等于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为强;若载噪比大于等于20dB/Hz并小于35dB/Hz且卫星个数大于等于4个,则GPS信号为弱;若载噪比小于20dB/Hz或者卫星个数小于等于4个,则为GPS信号盲区; 所述CDMA手机网络导频信号强弱根据CDMA手机网络导频信号质量已经CDMA手机网络基站个数确定,若信号质量大于等于50dB且CDMA基站数大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为强;若导频信号质量大于等于25dB且小于50B同时CDMA基站数量大于等于3个,则CDMA手机网络导频信号为弱;若导频信号质量小于25dB或者CDMA基站数量小于3个,则为CDMA手机网络导频信号盲区。
9.根据权利要求6所述的一种组合导航实施方法,其特征在于: 在联邦卡尔曼滤波系统中,所述各子滤波器中的惯性导航信息分配系数的总和为I。
10.根据权利要求8所述的一种组合导航实施方法,其特征在于: a)若所述GPS信号为强,则所述惯性导航信息分配系数在MINS/GPS导航子滤波器中取O. 2,其余子滤波器的分配系数约为O. 4 ; b)若所述GPS信号为弱,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 4,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 2,其余的子滤波器的分配系数取O. 4 ;c)若所述GPS信号为弱,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 33,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 33,其余的子滤波器的分配系数取O. 33 ; d)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为强,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 9,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 05,其余的子滤波器的分配系数取O. 05 ; e)若所述GPS信号为盲 区,所述CDMA手机网络导频信号为弱,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02 ; f)若所述GPS信号为盲区,所述CDMA手机网络导频信号为盲区,则惯性导航信息分配系数在MINS/GPS子滤波器中取O. 49,在MINS/CDMA手机网络导航子滤波器中取O. 49,其余的子滤波器的分配系数取O. 02。
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LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20101020

Assignee: Jiangsu Rothwell Electric Co., Ltd.

Assignor: Southeast University

Contract record no.: 2014320000093

Denomination of invention: Combined navigation unit and implementing method thereof

Granted publication date: 20121128

License type: Exclusive License

Record date: 20140228