CN103900580A - 基于gis技术的北斗/gps与ins组合车载导航定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，该组合车载导航定位系统由北斗二代-全球卫星导航系统、惯性导航系统、地理信息系统和数据融合与控制系统四部分构成；其中，惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；数据融合与控制系统包括处理器及接口，处理器中集成有卡尔曼滤波模块。本发明通过研发一种基于GIS技术的实时、稳定、高精度北斗二代与GP/INS组合车载导航定位系统，实现车载北斗二代和GPS导航定位终端的兼容使用并且与INS组合，用户既能接受到北斗二代信号，又能接受GPS信号，兼容使用，互相自动切换，提高了导航定位的精度和可靠性。

Description

基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统

技术领域：

本发明涉及车载导航技术领域，特指一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统。

背景技术：

全球卫星导航系统始于20世纪70年代美国GPS，其应用日益广泛，对国家的经济、国防等至关重要。欧盟10多年前曾预测，卫星导航中断一天，经济损失将超过10亿欧元，现在再评估这种损失的话，数额可能要翻几番，如果过分依赖国外机构提供的卫星导航服务，一旦对方出于政治、军事目的，有意在一个区域内关闭或者降低导航定位精度，造成的混乱，损失将难以估量。其次，美国的GPS系统发展到今天，年产值已达几百亿美元，预计到2020年将达到4000亿美元。卫星导航不仅是国家重要基础设施，对国防安全和经济建设具有重大作用，而且卫星导航本身是一个高技术产物。因此，继美国之后，俄罗斯、欧盟、中国、日本、印度等也都竞相大力发展自己的卫星导航系统，甚至泰国等稍有实力的国家都计划建设自己的卫星导航系统。

目前，世界主要有四大全球卫星导航系统，分别是:美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”系统、中国“北斗”系统、欧盟“伽利略”系统。其中，

美国GPS：是世界上最早建立、使用最多的全球卫星导航定位系统，目前，其年产值已达几百亿美元，预计到2020年将达到4000亿美元，目前GPS占了中国九成以上的市场。

俄罗斯“格洛纳斯”系统：是前苏联国防部于20世纪80年代初开始建设的全球卫星导航系统，是继GPS之后第二个军民两用的全球卫星导航系统，目前，俄罗斯正在加紧恢复建设格洛纳斯系统，但因资金短缺、人才资源不足、政治压力等原因，“格洛纳斯”建设断断续续，前景难料。

欧洲“伽利略”系统：是欧空局与欧盟在1999年合作启动的，该系统民用信号精度最高可达1米，目前，伽利略系统正在建设，还没有提供正式的服务。

中国“北斗”系统：于1994年开始全面研制，根据规划，北斗卫星导航系统分三步实施：

第一步，组建卫星导航试验系统。我国2000年建成了由2颗北斗导航试验卫星组成的试验系统，与国外同类系统相比，北斗试验系统的优点是投资少，组建快，尤其是具有通信功能，特别适用于需把导航与通信相结合的用户；

第二步，在2012年完成14颗卫星发射任务，组成区域性、可以自主导航的定位系统。区域系统将为中国及周边地区的用户提供陆、海、空导航定位服务，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足导航定位信息交换的需要等；

第三步，在2020年左右，建成由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成的、覆盖全球的全球导航系统。

卫星导航技术的发展趋势主要表现在三个方面：一是卫星导航的多系统并存，使系统可用性得以提高，应用领域将更广阔；二是多元组合导航技术正在得到推广应用，主要有GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等组合应用；三是卫星导航与无线通信等其他高技术结合，如GPS接收机嵌入到蜂窝无线电话、便携式PC、PDA和手表等安全、通信、消费等电子类产品中，从根本上促进了IT技术的整体发展。

随着各种卫星导航系统的发展，各卫星导航系统相互兼容并、与其他导航技术组合成为趋势。中国始终致力于“北斗”卫星导航系统与美国的GPS、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统一起来推动全球卫星导航系统的兼容共用，为全球用户提供更加可靠、更高性能的定位导航授时服务。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统。

本发明实现其目的采用的技术方案是：一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，该组合车载导航定位系统由北斗二代-全球卫星导航系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、地理信息系统（GIS）和数据融合与控制系统四部分构成；其中，北斗二代-全球卫星导航系统包括北斗二代/GPS接收机及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；数据融合与控制系统包括处理器及接口，处理器中集成有卡尔曼滤波模块；地理信息系统包括导航地图数据库以及地图匹配模块。

其中，所述压力传感器由一个压阻式传感器和一个ADC器件组成。所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

本发明是对北斗二代和GPS/INS兼容的应用终端的研发，通过研发一种基于GIS技术的实时、稳定、高精度北斗二代与GP/INS组合车载导航定位系统，实现车载北斗二代和GPS导航定位终端的兼容使用并且与INS组合，用户既能接受到北斗二代信号，又能接受GPS信号，兼容使用，互相自动切换，提高了导航定位的精度和可靠性，具有良好的技术性能和市场等多方面优势。

附图说明：

图1是本发明车载导航定位系统的总体构成框图；

图2是本发明中北斗二代/GPS与INS的组合的信息处理框图；

图3是本发明中地图匹配模块的地图匹配方法逻辑框图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

如图1-图3所示，本发明所述一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，该组合车载导航定位系统由北斗二代-全球卫星导航系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、地理信息系统（GIS）和数据融合与控制系统四部分构成；其中，北斗二代-全球卫星导航系统包括北斗二代/GPS接收机及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；数据融合与控制系统包括处理器及接口，处理器中集成有卡尔曼滤波模块；地理信息系统包括导航地图数据库以及地图匹配模块。

其中，所述压力传感器由一个压阻式传感器和一个ADC器件组成。所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

北斗二代/GPS系统的定位过程为：已知卫星的位置，采用高精度的GPS/北斗模块测量得到卫星和用户之间的相对位置、时间，用导航算法解算得到用户最可信赖位置。

惯性定位导航系统包括：光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘。

采用压力传感器模块来获取当前位置的海拔高度。该压力传感器由一个压阻式传感器和一个ADC器件组成。它能提供了16位字长的气压和温度数据。通过对传感器高精度校准，获得10个独特的系数并存储于芯片中，因此高精度的气压和温度数据能够轻易获取，从而获取高精度的海拔高度。

采用光纤陀螺仪陀螺仪得出精确的方位角角度。

采用三轴加速度传感器，它可以分别测量三个轴(Xa、Ya、Za)的加速度值，并且带符号输出表示测量值的方向。由于在车辆上单独使用加速度传感器，恰好使加速度传感器的测量轴Za所在直线垂直于水平面是不可能的，更无法做a轴正对车辆的行进方向。通常情况下，实际摆放位置与理想位置有一定的偏移角度，XY平面假设为平行于水平面的平面，z轴所在直线正好垂直于水平面。而实际放置加速度传感器时，加速度传感器的三个测量轴(Xa、Ya、Za)通常与X、Y、Z轴形成一定的角。所以就不能只对一个测量轴进行位移计算，而要对三个测量轴(Xa、Ya、Za)同时进行位移计算。

由于重力的作用和测量轴(Xa、Ya、Za)与理想状态轴(X、Y、Z)的夹角，重力加速度值也会在分解表现在三个测量轴上。我们需要先记录下车辆GPS最后一次定位时的三轴加速度值作为测量基准，在每个测量时刻算出测量值与基值之间的差值，并将三轴的差值分别代人公式进行速度和位移计算。最后通过矢量和计算，得到位移的大小。

结合图2所示，本发明通过光纤陀螺捷联惯导系统为核心，以北斗二代/GPS天线接收机和车体运动特性约束为辅助，通过Kalman滤波器估计出光纤陀螺SINS的测量误差，并对其进行校正的速度姿态匹配模式组合导航定姿方法。将北斗二代/GPS与陀螺和里程仪采集的数据在中心控制器进行处理，利用Kalman滤波地推算法，结合航位推算（DR）法，利用信息分配原理，实现多传感器信息的最优综合，并且使整个系统具有一定的容错能力，从而能够获得整体上最优的性能。

针对北斗二代/GPS-INS组合导航系统的两个子系统各自使用不同的时钟频率标准的问题，若要将它们的数据在同一时刻配准，必须先将其统一到一个公共的时间参照系中。由于卡尔曼滤波一般都是通过计算机来完成，所以不妨以计算机所使用的当地时间作为两个子系统处理数据的公共时间参照系。另外，两个子系统在完成测量并更新数据后要通过串口把数据传输到计算机，计算机在接收到数据后，还要先对其进行预处理(如对INS输出的姿态角速率进行积分才能得到载体姿态角的信息)才会开始滤波运算;由于数据传输和预处理都要花费时间，GPS/INS组合系统在作数据同步时，需要同步的数据所对应的时刻是其更新时刻，而不是计算机对其进行滤波的时刻。

通过把压力器获得的高度信息和和北斗二代/GPS高度信息引入高度通道中，采取有效的融合方案可抑制高度通道的发散；将北斗二代/GPS经度、纬度、地速信息引入惯导系统水平通道通过卡尔曼滤波进行组合，有效消除惯导的积累误差。

如图3所示本发明的地图匹配定位逻辑方法，系统接收到传感器数据后，利用数字地图信息，通过模式识别和匹配过程来确定车辆相对于地图的最大可能位置，因为地图数据库包含道路的位置信息，所以匹配位置可用于重新定位车辆的位置，限制误差的幅度，从而使系统性能得到改善。

本发明中地图匹配是是将车辆定位轨迹与数字地图中的道路网络信息联系起来，并由此确定车辆相对于地图的位置。地图匹配技术的应用有两个前提，即：用于匹配的数字化地图包含高精度的道路位置信息；被定位车辆正在道路上行驶。当上述条件满足时，就可以把定位数据和车辆运行轨迹同数字地图中的道路位置信息相比较，确定出车辆最可能的行驶路段以及车辆在该路段中的最大可能位置。因此一个完整的地图匹配算法包括三个主要的处理过程，既确定误差区域、选取匹配路段和计算修正结果。

综上所述，本发明是对北斗二代和GPS/INS兼容的应用终端的研发，通过研发一种基于GIS技术的实时、稳定、高精度北斗二代与GP/INS组合车载导航定位系统，实现车载北斗二代和GPS导航定位终端的兼容使用并且与INS组合，用户既能接受到北斗二代信号，又能接受GPS信号，兼容使用，互相自动切换，提高了导航定位的精度和可靠性，具有良好的技术性能和市场等多方面优势。本发明导航系统可达到如下表所示技术指标：

Claims (3)

1.一种基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，其特征在于：该组合车载导航定位系统由北斗二代-全球卫星导航系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、地理信息系统（GIS）和数据融合与控制系统四部分构成；其中，北斗二代-全球卫星导航系统包括北斗二代/GPS接收机及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；惯性导航系统包括光纤陀螺、加速度传感器、压力传感器、电子罗盘、整形电路及其与数据融合与控制系统连接的接口电路；数据融合与控制系统包括处理器及接口，处理器中集成有卡尔曼滤波模块；地理信息系统包括导航地图数据库以及地图匹配模块。

2.根据权利要求1所述的基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，其特征在于：所述压力传感器由一个压阻式传感器和一个ADC器件组成。

3.根据权利要求1所述的基于GIS技术的北斗/GPS与INS组合车载导航定位系统，其特征在于：所述加速度传感器为三轴加速度传感器。

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