CN105093249A - 一种惯导导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯导导航装置，包括：滤波器，将接收到的卫星信号进行噪声过滤后得到星历数据；数据解算模块，根据来自滤波器的星历数据解算出位置坐标并发送至终端机，还包括：惯导模块，发送惯导数据至所述数据解算模块，用于所述数据解算模块接收到少于四颗卫星的星历数据时由数据解算模块根据所述惯导数据联合解算输出位置坐标。本发明的惯导导航装置实现城市峡谷、地下车库、高架、隧道等情况下连续、无缝、精准导航定位功能。

Description

一种惯导导航装置

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种惯导导航装置。

背景技术

现有技术中的GPS卫星导航装置如图1所示，包括：卫星信号接收模块、滤波器、数据解算模块、通信接口。

主要实现方案是：由卫星信号接收模块直接接收卫星信号，将卫星信号输入滤波器中，滤波器对卫星信号进行去噪处理后得到星历数据并发送至数据解算模块，数据解算模块根据所得到的所有星历数据解算得到位置坐标，并将位置坐标发送给终端机，其中输出的结果为单点定位的位置坐标。

当前的GPS卫星导航装置的缺点在于，要时时依靠接收到的卫星信号才能进行有效的定位，为了输出有效的位置信息，卫星信号接收模块应发送至少四颗卫星的卫星信号到数据解算模块，而当车辆行驶在城市峡谷、地下车库、高架、隧道等环境中时，不能或者只能接收到少量的卫星信息，例如只能接收到三颗卫星的卫星信号，此时就不能有效的进行定位，造成导航不连续的问题。

因此，如何能够提供一种导航装置，解决车辆在接收不到卫星信号或只能接收到少量卫星信号的情况下不能定位或者定位漂移的情况，是本发明所要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的问题，本发明提供了一种导航装置，使得当车辆行驶高架桥下、隧道中、高楼边等城市峡谷中在保证定位的可用性、连续性与可靠性。

一种惯导导航装置，包括：滤波器，将接收到的卫星信号进行噪声过滤后得到星历数据；数据解算模块，根据来自滤波器的星历数据解算出位置坐标并发送至终端机，还包括：

惯导模块，发送惯导数据至所述数据解算模块，用于所述数据解算模块接收到少于四颗卫星的星历数据时由数据解算模块根据所述惯导数据联合解算输出位置坐标。

惯导模块所采用的系统是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。

在卫星弱信号的情况下，不能得到足够多的卫星观测数据，数据解算模块在保存了上一个较为精准的位置坐标基础上，叠加惯导模块输出的惯导数据，进行联合解算，从而在高架桥下、隧道中等环境中卫星信号较少甚至没有的情况下，也能保证较高的定位精度。

进一步而言，所述惯导模块为捷联惯导模块。

捷联惯导模块采用捷联惯导系统，捷联惯导系统(SINS)是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为″数学平台″，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。相比较平台惯导系统，捷联惯导系统的惯导数据精度较高。

进一步而言，还包括与北斗地基增强系统通信的通信接口，将来自数据解算模块的位置坐标发送至所述北斗地基增强系统，所述通信接口从所述北斗地基增强系统接收由位置坐标计算得到的差分数据并将所述差分数据发送至所述数据解算模块，由所述数据解算模块结合位置坐标进行解算。

北斗地基增强系统(CORS)，即北斗连续运行地基增强参考站网系统。北斗地基增强系统是利用北斗卫星导航定位(BDGNSS)、计算机、数据通信和互联网络(LAN/WAN)等技术，在一个城市、一个地区或一个国家根据需求按一定距离建立长年连续运行的若干个固定GNSS参考站的网络系统。依靠北斗CORS系统，北斗定位精度、北斗服务能力和竞争力都将得到极大提升，最高定位精度可达到动态厘米级，事后静态毫米级。目前的北斗地基增强系统中的差分应用还主要用于传统测绘行业，以实时观测，事后高精度解算为应用方向。通过将北斗地基增强系统的差分数据与数据解算模块中的位置坐标联合计算，可以将定位精度从10-15米提升到5米以内。

进一步而言，当所述数据解算模块收到至少四颗卫星的星历数据时，所述数据解算模块根据所述星历数据以及经过所述通信接口与所述北斗地基增强系统之间相互传输的数据解算出最终位置坐标。

数据解算模块与北斗地基增强系统之间传输的数据包括数据解算模块计算出的概略位置坐标以及北斗地基增强系统根据概略位置坐标计算得到的差分数据，数据解算模块根据这两者结合解算得到精度较高的最终位置坐标。

进一步而言，还包括数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据解算模块、滤波器及所述惯导模块连接，所述数据存储模块接收来自所述滤波器的星历数据以及所述惯导模块的惯导数据，并与所述数据解算模块之间进行数据的接收和发送。

数据模块用于存储各个数据，用于数据解算模块进行解算时的调取。

进一步而言，当所述数据解算模块收到至少四颗卫星的星历数据时：

数据解算模块将根据星历数据以及星历数据解算出的概略位置坐标发送至数据存储模块保存，且经过所述通信接口将概略位置坐标发送至所述北斗地基增强系统；

所述通信接口从所述北斗地基增强系统接收根据概略位置坐标计算出的差分数据并发送至所述数据解算模块；

所述数据解算模块从数据存储模块中读取所保存的概略位置坐标及星历数据，结合接收到的差分数据解算出最终位置坐标并发送至终端机，同时发送至所述数据存储模块进行保存。

其中数据存储模块用于存储最近一次收到的位置坐标。当卫星信号较多的时候，通过返回的差分数据结合最近存储的概略位置坐标，能够计算出最终的位置坐标。

进一步而言，当所述数据解算模块从数据存储模块中读取所保存的概略位置坐标及星历数据并结合接收到的差分数据进行解算时，所述数据解算模块还从数据存储模块接收所保存的惯导数据进行校准得到最终的位置坐标。

在卫星信号充足的情况下，惯导模块不直接参与位置坐标的解算，而是用于位置的校准，从而进一步提高坐标位置的精准度。

进一步而言，当所述数据解算模块收到少于四颗卫星的星历数据时，数据解算模块接收来自所述惯导模块的惯导数据，并结合从数据存储模块读取的位置坐标进行解算得到最终位置坐标并发送至终端机，同时发送至所述数据存储模块进行保存。

当卫星信号不足时，通过数据存储模块中最近一次保存的较高精度的位置坐标结合惯导数据，解算出位置坐标，与现有技术在少于四颗卫星的卫星信号下出现定位漂移或定位不准的现象相比，能够在卫星信号不足的情况下也保证较高的定位精度。

本发明的突出优点在于，在高架桥下、隧道中等环境中卫星信号较少甚至没有的情况下，也能够将位置坐标与惯导模块输出的惯导数据结合进行有效定位，保证较高的定位精度；利用与北斗地基增强系统之间的通信，结合北斗地基增强系统所发送的差分数据与原有的位置坐标联合解算，提高定位精度。

附图说明

图1为现有技术的GPS卫星导航装置结构示意图；

图2为本发明一个实施例的惯导导航装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明更加清楚明了，现结合说明书附图及实施例对本发明进行更加详细的解释说明。

本发明一个实施例的惯导导航装置如图2所示，包括：卫星信号接收模块、滤波器、数据解算模块、数据存储模块、惯导模块、与终端机通信的通信接口(图2中为终端机通信接口)以及与北斗地基增强系统通信的通信接口(图2中为增强系统通信接口)。其中，终端机通信接口与增强系统通信接口均设置在接口模块中。当前实施例中的惯导模块为捷联惯导模块。

本发明的惯导导航装置支持适配的终端有：两客一危车辆行驶记录仪、专用车辆行驶记录仪，如运钞车、救护车、民用车辆导航仪等。

当前实施例的惯导导航装置进行如下的高精度定位，在如下步骤过程中，惯导模块实时发送惯导数据至数据存储模块进行保存。

步骤1，卫星信号接收模块通过有源卫星天线，接收GPS/北斗双模L1/B1频段的卫星信号。

卫星信号接收模块的射频输入端可以连接有源天线或无源天线。当前实施例在设计时采用特性阻抗50Ω，增益25dB～30dB的有源天线。卫星信号接收模块为天线提供电压为3.0V，电流为50mA的电源，可以直接连接有源天线。为加强射频端口的ESD防护，可在射频输入端增加一个瞬态电压仰制器。

步骤2，滤波器接收来自卫星信号接收模块的卫星信号，用卡尔曼滤波算法对卫星信号进行去噪处理，得到星历数据。

其中卫星信号接收模块所能接收的卫星信号来自一颗或多颗卫星，在滤波后得到对应各个卫星信号的多组星历数据。

卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。

数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，卡尔曼滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态.由于，它便于计算机编程实现，并能够对现场采集的数据进行实时的更新和处理，卡尔曼滤波是目前应用最为广泛的滤波方法，在通信，导航，制导与控制等多领域得到了较好的应用。

步骤3，滤波器将星历数据送到数据解算模块进行解算，同时发送至数据存储模块进行保存。

在当前实施例中，数据解算模块的解算方式根据接收到的星历数据多少而定：如果收到来自至少四颗卫星的星历数据，则进入步骤a；否则，进入步骤b，直至恢复到接收来自至少四颗卫星的星历数据。

步骤a，数据解算模块根据与北斗地基增强系统之间传输的数据解算出高精度的位置坐标。步骤a包括如下步骤：

a1，数据解算模块将星历数据解算为概略的位置坐标，并发送至数据存储模块保存，同时经过增强系统通信接口将概略的位置坐标发送至北斗地基增强系统。增强系统通信接口利用运营商的移动网络，向北斗地基增强系统发送基于NTRIP协议的概略位置坐标。

a2，北斗地基增强系统根据概略的位置坐标计算出差分数据并返回，由增强系统通信接口接收差分数据并发送至数据解算模块。在步骤a2，北斗地基增强系统根据概略的位置坐标计算出差分数据之后，发回坐标区域的RTCM2.X/3.X格式的差分数据发送到数据解算模块。

a3，数据解算模块从数据存储模块中读取所保存的概略的位置坐标及星历数据，结合接收到的差分数据解算出高精度的位置坐标，并通过终端通信接口将高精度的位置坐标发送至终端机。此时发送到数据解算模块的惯导数据用于与数据解算模块计算得到的高精度位置坐标进行比对和校正。

增强系统通信接口包括两个串口，分别用于输入和输出，串口的传输信号电平为3.0VLVTTL，两个串口的波特率均可在4800-115200之间进行配置，默认波特率为115200。输出串口是主要数据通信串口，向北斗地基增强系统输出标准NMEA0183V3.0串行格式的概略位置坐标数据；输入串口作为差分数据输入接口，可输入来自北斗地基增强系统的广域差分信息、RTCM2.X/3.X差分数据。

步骤b，数据解算模块根据从惯导模块接收的惯导数据解算出最终位置坐标。

惯导模块实时发送惯导数据至数据解算模块及数据存储模块。而在卫星信号不足甚至没有的情况下，数据解算模块无法计算出概略的位置坐标，缺少差分联合解算条件，此时数据解算模块从数据存储模块读取最近保存的高精度位置坐标，在上一个精准位置的基础上，叠加惯导模块输出的惯导数据，进行惯导数据的联合解算，所计算得到的最终位置坐标与现有技术相比精度更高。结合惯导数据解算处的位置坐标精度会随着时间与距离的加长，精度随之降低。因此，一旦数据解算模块发现卫星信号正常，就重新进入差分解算模式，从而纠正惯导联合解算的误差。

本发明所采用的惯导导航装置在初始化后第一次定位需要在数据解算模块接收到至少四颗卫星的星历数据的情况下进行，即按照步骤a的方式实现。后续过程则按照所处环境而采用步骤a或步骤b进行。

步骤4，数据解算模块将计算得到的最终位置坐标发送至终端机，同时发送至数据存储模块进行保存，用于下一次的解算。

本发明的惯导导航装置实现城市峡谷、地下车库、高架、隧道等情况下连续、无缝、精准导航定位功能。利用与北斗地基增强系统之间的通信，结合北斗地基增强系统所发送的差分数据与原有的位置坐标联合解算，可以将定位精度从10-15米提升到5米以内。

Claims (8)

1.一种惯导导航装置，包括：滤波器，将接收到的卫星信号进行噪声过滤后得到星历数据；数据解算模块，根据来自滤波器的星历数据解算出位置坐标并发送至终端机，其特征在于，还包括：

惯导模块，发送惯导数据至所述数据解算模块，用于所述数据解算模块接收到少于四颗卫星的星历数据时由所述数据解算模块根据所述惯导数据联合解算输出位置坐标。

2.如权利要求1所述惯导导航装置，其特征在于，所述惯导模块为捷联惯导模块。

3.如权利要求1所述惯导导航装置，其特征在于，还包括与北斗地基增强系统通信的通信接口，将来自所述数据解算模块的位置坐标发送至所述北斗地基增强系统，所述通信接口从所述北斗地基增强系统接收由位置坐标计算得到的差分数据并将所述差分数据发送至所述数据解算模块，由所述数据解算模块结合位置坐标进行解算。

4.如权利要求3所述惯导导航装置，其特征在于，当所述数据解算模块收到至少四颗卫星的星历数据时，所述数据解算模块根据所述星历数据以及经过所述通信接口与所述北斗地基增强系统之间相互传输的数据解算出所述位置坐标。

5.如权利要求4所述惯导导航装置，其特征在于，还包括数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据解算模块、滤波器及所述惯导模块连接，所述数据存储模块接收来自所述滤波器的星历数据以及所述惯导模块的惯导数据，并与所述数据解算模块之间进行数据的接收和发送。

6.如权利要求5所述惯导导航装置，其特征在于，当所述数据解算模块收到至少四颗卫星的星历数据时：

数据解算模块将星历数据以及根据星历数据解算出的概略位置坐标发送至数据存储模块保存，且经过所述通信接口将概略位置坐标发送至所述北斗地基增强系统；

所述通信接口从所述北斗地基增强系统接收根据概略位置坐标计算出的差分数据并发送至所述数据解算模块；

所述数据解算模块从数据存储模块中读取所保存的概略位置坐标及星历数据，结合接收到的差分数据解算出最终位置坐标并发送至终端机，同时发送至所述数据存储模块进行保存。

7.如权利要求6所述惯导导航装置，其特征在于，当所述数据解算模块从数据存储模块中读取所保存的概略位置坐标及星历数据并结合接收到的差分数据进行解算时，所述数据解算模块还从数据存储模块接收所保存的惯导数据进行校准得到最终的位置坐标。

8.如权利要求5所述惯导导航装置，其特征在于，当所述数据解算模块收到少于四颗卫星的星历数据时，数据解算模块接收来自所述惯导模块的惯导数据，并结合从数据存储模块读取的位置坐标进行解算得到最终位置坐标并发送至终端机，同时发送至所述数据存储模块进行保存。