CN105510949A - 基于mems气压计辅助gnss接收机的自适应定位装置和推算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置和推算方法，包括以下步骤：对气压计所输出的测量数据进行处理和缓存，并检测其是否存在突变。如果存在突变，则对该测量值进行平滑滤波；根据当前的可用卫星数目，对接收机的运动状态进行合理地推测和限制，进行定位推算。通过这种方法，接收机能够针对当前所处环境的可用卫星测量值个数进行自适应地定位模式切换，在可用的卫星测量值个数不满足定位条件的情况下进行保持性定位，以求在定位精度不超过一定范围时，提高接收机在复杂环境下的定位率。

Description

基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置和推算方法

技术领域

本发明属于GNSS组合定位技术领域，涉及MEMS传感器辅助GNSS接收机定位的装置和推算方法，尤其涉及GNSS接收机的复杂环境定位推算方法。

背景技术

目前在市场上流通的全球导航卫星系统(GNSS)接收机，可以在大多数地面环境中提供良好的定位效果。但当接收机进入卫星信号衰减变形严重的环境中(如森林、城市峡谷)，接收机合成的卫星测量值数目会减少，且可能存在比较大的误差，从而导致接收机无法给出定位结果，或者解算的定位结果不准确。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置和定位推算方法，根据当前所处环境的卫星信号状况在不同的定位模式间切换，从而使GNSS接收机在复杂环境下实现较高的定位率和较好的定位精度。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是GNSS接收机在卫星信号状况较差的情况下不能实现较高的定位率和较好的定位精度的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置，该装置包括多模天线模块、射频信号处理模块、数字信号处理模块、MEMS气压计、定位解算模块和定位推算模块；所述多模天线模块被配置为接收来自多个GNSS卫星的射频信号；所述射频信号处理模块被配置为将所述射频信号转变为可由所述数字信号处理模块直接处理的数字中频信号；所述MEMS气压计独立于其他模块，所述MEMS气压计被配置为向所述定位解算模块和所述定位推算模块提供实时气压信息。

进一步地，所述定位解算模块和所述定位推算模块都被配置为对卫星测量值以及所述MEMS气压计输出的气压信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息；所述定位解算模块被配置为仅当接收机获取到的可用卫星数目满足定位条件时才开始工作，当所述定位解算模块工作时，所述定位推算模块关闭；当可用卫星数目不满足定位要求时，所述定位解算模块关闭，所述定位推算模块被配置为开始工作并输出定位结果。

本发明还提供了一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位推算方法，包括以下步骤：

步骤1：对MEMS气压计本身的输出的测量数据进行处理和缓存，并检测其是否存在突变；如果存在突变，则对该测量值进行平滑滤波；

步骤2：根据当前的可用卫星数目，对接收机的运动状态进行合理地推测和限制，进行定位推算。

进一步地，所述步骤1中所述的对MEMS气压计的测量数据进行处理是指将MEMS气压计输出的气压值转换为接收机所处位置的高度值。

进一步地，所述步骤2中所述的定位推算方法，包括：

如果当前可用卫星数目差1颗满足定位要求，则加入高度辅助方程进行定位推算；

如果当前可用卫星数目差2颗满足定位要求，则在加入高度辅助方程的基础上加入钟差限制，进行定位推算；

如果当前可用卫星数目差3颗满足定位要求，则在高度辅助和钟差限制的基础上加入航向限制，进行定位推算；

如果当前没有可用卫星，则利用高度的变化来对位置的变化量进行线性推算。

本发明所述技术方法在接收机模块中集成MEMS传感器，用于向接收机的定位解算程序提供辅助信息。

MEMS气压计可以独立于GNSS接收机模块工作，并实时输出当前接收机所在位置的气压值，该值可以转换为接收机所在的高度值。这个高度值具有较高的精度，可以对GNSS定位解算提供辅助。在可用卫星数目不满足定位要求的情况下，使用气压计的测量值作为可靠的测量值来源，并加入对高度、钟差、航向等接收机运动状态的限制，则可以对接收机运动状态进行比较可靠的估计，推算得到接收机的位置。

本发明给出的一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位推算方法，以使接收机能够针对当前所处环境的可用卫星测量值个数进行自适应地定位模式切换，在可用的卫星测量值个数不满足定位条件的情况下进行保持性定位，以求在定位精度不超过一定范围时，提高接收机在复杂环境下的定位率。

该方法包括以下几个环节：

1.对气压计本身的输出的测量数据进行处理和缓存，并检测其是否存在突变。如果存在突变，则进行平滑滤波。

2.根据当前的可用卫星数目，对接收机的运动状态进行合理地推测和限制，进行定位推算。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的集成MEMS气压计的GNSS接收机的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的对带有MEMS气压计辅助的GNSS接收机环境定位推算方法的总流程图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施实例对本发明作进一步的描述。

图1是一个集成有MEMS气压计器件的GNSS接收机实现定位的示意图。GNSS接收机通过多模天线102接收来自多个GNSS卫星星座101的射频信号，并在射频处理模块103中将其转变为可由数字信号处理器直接处理的数字中频信号。基带数字信号处理模块104对数字中频信号进行处理，对各颗卫星的信号进行捕获和跟踪，解调出导航电文并获取到卫星的测量值信息。

集成在GNSS接收机模块中的MEMS气压计105以独立于GNSS接收机的状态工作，并实时向接收机提供当前的气压信息。

GNSS接收机的自适应定位功能是通过定位解算模块106和定位推算模块107的交替工作来实现的。定位解算模块106和定位推算模块107的功能都是负责对卫星测量值以及气压计输出的气压信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息。定位解算模块106当接收机获取到的可用卫星数目满足定位条件时才开始工作，当定位解算模块106工作时，定位推算模块107关闭。当可用卫星数目不满足定位要求时，定位解算模块106关闭，定位推算模块107开始工作并输出定位结果。气压计105输出的气压信息通过公式转换为当前接收机的高度值h_baro，作为定位导航运算模块106和定位推算模块107的辅助测量值。

图2描述了接收机在复杂环境中进行定位推算的流程图。

首先，在接收机内部建立软件寄存器201，对由MEMS气压计105输出的气压信息计算得到的高度值h_baro进行分时存储，并当新测量历元的高度值进入寄存器201时，在步骤202中将其与历史值(一般为前一测量历元的测量值)作差，并在步骤203中将该差值与某一阈值T_baro进行比较。如果新测量值与历史测量值间存在较大的突变差距，则将气压计测量值平滑滤波器204的输出结果作为此时刻的气压计测量值。如果后续接收到的气压计测量值与突变后的测量值保持一致，则需要重置平滑滤波器。阈值T_baro的数值选取，可以是对MEMS气压计对应的平稳测量值噪声σ_baro进行按比例放大，如2σ_baro。

在确认本次获取到的气压及测量值h_baro有效的情况下，接收机开始对目前可用于定位的卫星数目进行判断。根据卫星数目的不同，会进入不同的推算流程：

在判断206中，判断卫星数目仅差一颗就达到定位要求时(如单系统3颗卫星)，进入步骤207；若不满足，则进入下一轮判断208。在步骤207中，有关高度变化的方程式被添加进入定位解算方程组，将气压计测量值h_baro与上一时刻解算得到的高度值h_last之差作为测量值。将高度的变化转换为ECEF坐标系下的位置变化，需要引入旋转矩阵S。于是得到下式：

Δu＝S₃₁Δx+S₃₂Δy+S₃₃Δz＝h_baro-h_last

式中，S_ij为旋转矩阵S第i行第j列的数据。这样，一个新的方程式加入定位解算，则定位计算得以完成，得到当前时刻的位置和速度。在本发明举的例子中，定位解算的方法可以是最小二乘法，也可以是卡尔曼滤波等滤波算法。

在判断208中，判断卫星数目差2颗才能达到定位要求时(如单系统2颗卫星)，则进入步骤209；若不满足，则进入下一轮判断210。在步骤209中，除了在方程组中加入上文提到的高度变化方程式的基础上，再对接收机的钟差加以限制。在定位过程中，接收机的钟差是稳定在一个范围以内的，因此可以使用钟差推算机制来对当前时刻的钟差进行预测。钟差推算机制可以简单的采用上一时刻的钟差值，也可以使用综合前几个时刻的钟差进行推算，如下式：

δt_i＝aδt_i-1+bδt_i-2

钟差固定之后，定位计算的变量仅剩下位置的三个坐标，于是可以完成定位计算得到位置。

在判断210中，判断卫星数目距离定位要求差距为3颗(如单系统1颗卫星)，则进入步骤211；若不满足，进入步骤212。在步骤211中，除了高度和钟差限制外，再加入航向限制，即水平方向上的东向位置变化Δe和北向位置变化Δn会存在线性关系：

Δe＝kΔn

将该式转换为ECEF坐标系下的位置变化量，再次引入旋转矩阵S：

S₁₁Δx+S₁₂Δy+S₁₃Δz＝k(S₂₁Δx+S₂₂Δy+S₂₃Δz)

当前如果已经没有可用卫星，则进入步骤212，假定上一时刻的位置变化量与这一时刻的位置变化量存在比例关系，并将气压计测量值h_baro作为当前位置的高度值。

[Δe_iΔn_iΔu_i]＝k[Δe_i-1Δn_i-1Δu_i-1]

式中，当前时刻高度值的变化Δu_i由气压计测量值和上一秒得到的高度值得到，而上一秒的三维位置变化均已知。则常数k可求得，该时刻的位置变化即能递推得到。

在判断213中，判断接收机无法收到可用卫星的时间是否长于某一阈值T。如果长于时间T，则进入步骤214停止位置推算，判断当前定位无效，以避免给出含有较大误差的定位结果。推算步骤的持续时间T可自由决定，比如5秒。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置，其特征在于，包括多模天线模块、射频信号处理模块、数字信号处理模块、MEMS气压计、定位解算模块和定位推算模块；所述多模天线模块被配置为接收来自多个GNSS卫星的射频信号；所述射频信号处理模块被配置为将所述射频信号转变为可由所述数字信号处理模块直接处理的数字中频信号；所述MEMS气压计独立于其他模块，所述MEMS气压计被配置为向所述定位解算模块和所述定位推算模块提供实时气压信息。

2.如权利要求1所述的基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位装置，其特征在于，所述定位解算模块和所述定位推算模块都被配置为对卫星测量值以及所述MEMS气压计输出的气压信息进行处理，并计算得到当前接收机的位置、速度和时间信息；所述定位解算模块被配置为仅当接收机获取到的可用卫星数目满足定位条件时才开始工作，当所述定位解算模块工作时，所述定位推算模块关闭；当可用卫星数目不满足定位要求时，所述定位解算模块关闭，所述定位推算模块被配置为开始工作并输出定位结果。

3.一种基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位推算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对MEMS气压计本身的输出的测量数据进行处理和缓存，并检测其是否存在突变；如果存在突变，则对该测量值进行平滑滤波；

步骤2：根据当前的可用卫星数目，对接收机的运动状态进行合理地推测和限制，进行定位推算。

4.如权利要求3所述的基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位推算方法，其特征在于，所述步骤1中所述的对MEMS气压计的测量数据进行处理是指将MEMS气压计输出的气压值转换为接收机所处位置的高度值。

5.如权利要求3所述的基于MEMS气压计辅助GNSS接收机的自适应定位推算方法，其特征在于，所述步骤2中所述的定位推算方法，包括：

如果当前可用卫星数目差1颗满足定位要求，则加入高度辅助方程进行定位推算；

如果当前可用卫星数目差2颗满足定位要求，则在加入高度辅助方程的基础上加入钟差限制，进行定位推算；

如果当前可用卫星数目差3颗满足定位要求，则在高度辅助和钟差限制的基础上加入航向限制，进行定位推算；

如果当前没有可用卫星，则利用高度的变化来对位置的变化量进行线性推算。