CN105607093A - 一种组合导航系统及获取导航坐标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合导航系统及获取导航坐标的方法，该系统包括：MEMS模块，MEMS模块包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，MEMS陀螺仪用于输出角速度信号，MEMS加速度计用于输出加速度信息；GNSS模块，GNSS模块用于接收并输出卫星导航信号；导航计算机，与MEMS模块和GNSS模块相连，该导航计算机根据MEMS陀螺仪输出的角速度信号、MEMS加速度计输出的加速度信息以及GNSS模块输出的卫星导航信号进行误差补偿运算、姿态解算、位置速度解算，最终得到位置、姿态、速度信息。采用本发明提供的MSINS/GNSS组合导航系统进行载体的导航系统，即能够满足低成本、高集成的要求，又能达到相对较高的定位精度和较高的可靠性。

Description

一种组合导航系统及获取导航坐标的方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，适用于姿态控制、航向参考、组合导航等范围，具体来讲涉及一种MSINS/GNSS组合导航系统。

背景技术

目前日益增长的无缝车载导航应用需求和近年来国内无人机发展对导航系统提出了一系列新的要求：低成本、小型化、低功耗、高精度、高可靠性。卫星导航系统可以提供绝对位置、速度、时间，且定位精度、时间精度能够在长时间保持较高精度。惯性导航可以测量全部运动参数，且能够在短时间内保持较高精度。因此，两者结合能够使导航系统维持长时间的稳定和提供载体的全部运动参数。

现有的组合导航系统中普遍采用GPS单点定位的方式提供载体的位置、速度信息，而普通的GPS接收机由于受到卫星钟差、对流层误差、电离层误差、多路径效应等影响，其定位精度为20米左右，且GPS单系统在城市环境中较难满足4颗卫星的要求，可靠性和定位精度较低。再有，高精度惯性器件存在价格高昂、体积较大、难以集成等缺点，难以满足微小型系统的发展需求。

随着BDS(BeiDouNavigationSatelliteSystem，中国北斗卫星导航系统，是中国自行研制的全球卫星导航系统)的发展，GPS系统现代化以及GLONASS系统的恢复，卫星导航系统呈现出三系统共存的局面。若将三系统多基准站RTK(网络RTK)技术应用于组合导航系统中可以使卫星导航模块定位精度达到厘米级精度。而集成电路加工工艺发展而来的惯性微传感器(MEMS)的性能不断提高，其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、易集成等特点。

发明内容

本发明提供了一种MSINS/GNSS组合导航系统，包括：

MEMS模块，所述MEMS模块包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，所述MEMS陀螺仪用于输出角速度信号，所述MEMS加速度计用于输出加速度信息；

GNSS模块，所述GNSS模块用于接收并输出卫星导航信号；

导航计算机，与所述MEMS模块和所述GNSS模块相连，该导航计算机根据所述MEMS陀螺仪输出的角速度信号、所述MEMS加速度计输出的加速度信息以及所述GNSS模块输出的卫星导航信号进行误差补偿运算、姿态解算、位置速度解算，最终得到本导航系统的位置、姿态、速度信息。

在上述的MSINS/GNSS组合导航系统中，所述MEMS陀螺仪为三轴MEMS陀螺仪，所述MEMS加速度计为三轴MEMS加速度计。

在上述的MSINS/GNSS组合导航系统中，所述GNSS模块具有一片集成有BD/GLONASS/GPS三系统的芯片，该芯片包括BD前端信号处理单元、GLONSS前端信号处理单元、GPS前端信号处理单元和基带处理单元，所述BD前端信号处理单元、所述GLONSS前端信号处理单元、所述GPS前端信号处理单元的信号输出端均与所述基带处理单元的信号输入端相连。

在上述的MSINS/GNSS组合导航系统中，所述GNSS模块还包括有GNSS天线，所述GNSS天线分别与所述BD前端信号处理单元、所述GLONSS前端信号处理单元、所述GPS前端信号处理单元的信号输入端相连接。

在上述的MSINS/GNSS组合导航系统中，所述导航计算机包括数学平台、滤波计算模块和运动状态监测单元，所述数学平台分别与所述MEMS陀螺仪和所述MEMS加速度计相连，所述运动状态监测单元与所述数学平台相连以获取信息，所述滤波计算模块分别与所述数学平台、所述运动状态监测单元和所述GNSS模块相连，通过所述滤波计算模块提供的惯性误差来对所述数学平台输出的信息进行校准。

在上述的MSINS/GNSS组合导航系统中，所述数学平台包括误差补偿单元、姿态矩阵单元、姿态矩阵计算单元和姿态方位计算单元，所述姿态矩阵计算单元分别与所述误差补偿单元、所述姿态矩阵单元和所述姿态方位计算单元相连；

所述滤波计算模块连接所述姿态矩阵计算单元，以提供一反馈信号至所述姿态矩阵计算单元。

同时本发明还提供了一直采用上述MSINS/GNSS组合导航系统获取导航坐标的方法，包括如下步骤：

导航计算机中数学平台的误差补偿单元接收MEMS陀螺仪输出的角速度信号以及MEMS加速度计输出的比力加速度信息，并进行误差补偿，输出误差改正过后的角速度、加速度信息；

导航计算机中数学平台的姿态矩阵计算单元初始时刻利用初始信息进行初始化，后续使用姿态矩阵算法计算相应时刻的姿态矩阵；

姿态矩阵单元运用姿态更新算法更新矩阵，并转换到该组合导航系统的绝对值的姿态角数值。

姿态方位计算单元运用姿态矩阵计算单元输出的信息进行姿态角输出，供载体应用；

滤波计算单元接收GNSS模块输出的位置速度信息以及运动状态监测单元的运动约束信息，以得到惯性误差；

根据数学平台输出的角速度和加速度信息以及滤波计算单元输出的惯性误差来对进行运算得到要输出的位置、速度信息。

在上述的获取导航坐标的方法中，使用扩展卡尔曼滤波运算得到要输出的位置、速度信息。

在上述的获取导航坐标的方法中，运动状态监测单元的工作步骤为：

利用误差补偿单元将MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的原始数据进行低通滤波，以减小原始数据噪声；

设定固定时间为1秒的窗口，该窗口随着时间变化向前滑动，取窗口内原始数据的平均值；

比较窗口内加速度幅值和重力加速度的大小，两者做差小于某一阈值作为判断车辆静止的条件之一；

窗口内每轴陀螺仪输出的值都小于某一阀值为判断车辆静止的另一条件；

MEMS加速度计和MEMS陀螺仪数据判断车辆静止的条件都满足时，则判断车辆为静止状态，利用零速观测量修正组合导航系统状态量。

本发明的优点在于：

1、本发明采用的GNSS模块是一款集成BD/GLONASS/GPS芯片，兼容现阶段主流的三种卫星导航系统。将大范围的提升本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统的应用范围，降低卫星全部失锁的风险，提高本发明的适应范围和可靠性。此外，GNSS模块采用集成设计，有利于降低功耗。

3、本发明采用的GNSS模块中采用软件接收机的设计，可以接收BD/GLONASS/GPS差分信号，采用载波差分模式将大幅度的提高GNSS模块的定位、测速精度，进而提高本发明所提供的MSINS/GNSS组合系统的精度。

4、本发明采用全新的MEMS惯性器件，与传统惯性器件相比较，极大的降低了体积和功耗，并且成本很低，进而本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统与传统的组合导航系统相比较，极大的降低了系统的功耗和体积，同时将大幅度的降低系统成本。

5、本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统根据不同运动环境或运动条件下部分参数满足一些特定的条件，引入了附加运动约束的MSINS/GNSS的组合导航机制，提高本发明的适应性和导航精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的组合导航系统；

图2为本发明的GNSS模块20结构示意图；

图3为本发明的MSINS系统的流程示意图；

图4本发明的附加运动约束的导航修正示意图；

图5本发明的卡尔曼滤波算法的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

目前，单一的GNSS接收机由于受到卫星钟差、对流层误差、电离层误差、多路径效应等影响，其定位精度为20米左右，且GPS单系统在城市环境中较难满足4颗卫星的要求，可靠性和定位精度较低，即使采用网络RTK等技术手段能够提高定位精度，但在特定条件下如隧道、高架桥下等区域无法接收到正常的卫星信号，无法完成载体导航；再有，惯性器件存在短时间内精度较高、能够输出全方位导航信息，但存在长时间快速发散的缺点，难以满足现阶段的发展需求；天文导航系统应用领域相对较窄，设备昂贵，且同样无法在遮挡条件下使用；地理信息匹配存在导航精度不高，提前采集地理信息等缺点，同样不能满足现阶段低成本、高精度的导航需求。

在此本发明提供了一种MSINS/GNSS组合导航系统以及利用该系统获取导航坐标的方法，即能够满足低成本、高集成的要求，又能达到相对较高的定位精度和较高的可靠性。

实施例一

在本实施例中，本发明提供了一种MSINS/GNSS组合导航系统，参照图1至图4所示，该系统包括有微惯性器件MEMS模块10、GNSS模块20和导航计算机30，MEMS模块10和导航计算机30构成MSINS导航系统。一种MSINS/GNSS的组合导航系统安装在使用载体上。其中，MEMS模块10包括MEMS陀螺仪11和MEMS加速度计12，MEMS陀螺仪11负责向导航计算机30输出角速度信号，MEMS加速度计12负责向导航计算机30输出加速度信息；GNSS模块20用于接收并输出卫星导航信号至导航计算机30；导航计算机30与MEMS模块10和GNSS模块20相连，该导航计算机30根据MEMS陀螺仪11输出的角速度信号、MEMS加速度计12输出的加速度信息以及GNSS模块20输出的卫星导航信号进行误差补偿运算、姿态解算、位置速度解算，最终得到本导航系统的位置、姿态、速度信息。

在本发明中，上述的三维位置值、三维速度值和姿态角作为本发明的导航数据输出值对外输出。

在本发明一可选的实施例中，MEMS陀螺仪11为三轴MEMS陀螺仪，所述MEMS加速度计12为三轴MEMS加速度计。

在本发明一可选的实施例中，GNSS模块20具有一片集成有BD/GLONASS/GPS三系统的芯片22，该芯片22包括BD前端信号处理单元23、GLONSS前端信号处理单元24、GPS前端信号处理单元25和基带处理单元26，BD前端信号处理单元23、GLONSS前端信号处理单元24、GPS前端信号处理单元25的信号输出端均与基带处理单元26的信号输入端相连。GNSS模块20的具体示意图如图2所示。

在本发明一可选的实施例中，GNSS模块20还包括有GNSS天线21，GNSS天线21分别与BD前端信号处理单元23、GLONSS前端信号处理单元24、GPS前端信号处理单元25的信号输入端相连接。

在本发明一可选的实施例中，导航计算机30包括数学平台31、滤波计算模块32和运动状态监测单元33，数学平台31分别与MEMS陀螺仪11和MEMS加速度计12相连，运动状态监测单元33与数学平台31相连以获取信息，滤波计算模块32分别与数学平台31、运动状态监测单元33和GNSS模块20相连，通过滤波计算模块32提供的惯性误差来对数学平台31输出的信息进行校准。如图3所示。

在本发明一可选的实施例中，数学平台31包括误差补偿单元311、姿态矩阵单元312、姿态矩阵计算单元313和姿态方位计算单元314，姿态矩阵计算单元313分别与误差补偿单元311、姿态矩阵单元312和姿态方位计算单元314相连；滤波计算模块32连接姿态矩阵计算单元313，以提供一反馈信号至姿态矩阵计算单元313，如图3所示。

由上述本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统方案可以看到，在不增加磁力计等硬件的基础上，将GNSS速度与MSINS的所输出的加速度信息、姿态信息，获得载体姿态角，进而将姿态角信息和GNSS位置、速度信息进行运动特性分析，并将特性信息改正惯性导航系统的误差，提高了姿态的可观测性和估计精度，进而提高了组合导航的精度。

在MSINS/GNSS组合导航系统中MSINS惯性导航器件负责提供载体的姿态信息、速度、位置全方位导航信息，GNSS卫星导航系统负责提供载体的位置、速度信息。凡是能够提供为MSINS提供间隔的位置、速度信息都可以和MSINS组合。本发明提供的MSINS/GNSS组合导航系统采用BD/GLONASS/GPS导航芯片22可以使GNSS模块20的适应范围更广。该系统采用网络RTK技术可以更进一步提供系统定位精度。在导航计算机30中加入运动状态监测单元33可以使用零速修正技术和附加运动状态约束算法进而增加运动信息监测量使滤波算法有更多的观测量，提高结果的精度。

这几点使用BD/GLONASS/GPS导航芯片、网络RTK技术都是增加GNSS的定位精度和实用性，若无该两项改进，相应的组合导航系统同样可以工作，改进后MSINS/GNSS组合导航系统的精度和适用性有所增强。加入运动状态监测单元可以增加MSINS模块的误差修正，同样用于提高组合导航系统输出信息的精度。

实施例二

在本实施例中，本发明提供了一种采用实施例一的MSINS/GNSS组合导航系统获取导航坐标的方法，可参照图3和图4，包括如下步骤：

步骤1：导航计算机30中数学平台31的误差补偿单元311接收MEMS模块10中三轴MEMS陀螺仪11输出的角速度信号、三轴MEMS加速度计12输出的比力加速度信息，并进行误差补偿，输出误差改正过后的角速度、加速度信息。

步骤2：导航计算机30中数学平台31的姿态矩阵计算单元313初始时刻利用初始信息进行初始化，后续使用姿态矩阵算法计算相应时刻的姿态矩阵。

步骤3：姿态矩阵单元312运用姿态更新算法更新矩阵，并转换到该组合导航系统的绝对值的姿态角数值。

步骤4：姿态方位计算单元314运用姿态矩阵计算313输出信息进行姿态输出，供载体应用。

步骤5：滤波计算单元32接收GNSS模块20输出的位置速度信息以及运动状态监测单元33的运动约束信息，以得到惯性误差。

步骤6：根据数学平台31输出的角速度和加速度信息以及滤波计算单元32输出的惯性误差来对进行运算得到要输出的位置、速度信息。

上述步骤完成后，得到了想要的位置、姿态、速度信息。

在本发明一可选的实施例中，使用扩展卡尔曼滤波运算得到要输出的位置、速度信息，具体计算步骤可参照图5所示。

在本发明一可选的实施例中，运动状态监测单元33的工作步骤为：

步骤A：利用误差补偿单元311将MEMS陀螺仪11和MEMS加速度计12的原始数据进行低通滤波，以减小原始数据噪声。

步骤B：设定固定时间为1秒的窗口，该窗口随着时间变化向前滑动，取窗口内原始数据的平均值。

步骤C：比较窗口内加速度幅值和重力加速度的大小，两者做差小于某一阈值作为判断车辆静止的条件之一。

步骤D：窗口内每轴陀螺仪输出的值都小于某一阀值为判断车辆静止的另一条件。在本发明一可选的实施例中，加速度计算公式为：

$\left|f_n\right|=\sqrt{f_x^2+f_y^2+f_z^2};$

重力加速度计算公式为：

g＝g₀[1+0.00527094sin²(L)+0.0000232718sin⁴(L)]-0.000003086h，

其中g₀＝9.780326771m/s²,L为当地纬度，h为高度。

步骤E：MEMS加速度计12和MEMS陀螺仪11数据判断车辆静止的条件都满足时，则判断车辆为静止状态，利用零速观测量修正组合导航系统状态量。

在导航领域，载体获取自身的姿态、位置、速度采用单一的导航系统如卫星导航系统、惯性导航系统、天文导航系统、地理信息匹配等，无法输出有效的满足相对精度要求的姿态、位置、速度信息。

本发明的优点在于：

1、本发明采用的GNSS模块是一款集成BD/GLONASS/GPS芯片，兼容现阶段主流的三种卫星导航系统。将大范围的提升本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统的应用范围，降低卫星全部失锁的风险，提高本发明的适应范围和可靠性。此外，GNSS模块采用集成设计，有利于降低功耗。

3、本发明采用的GNSS模块中采用软件接收机的设计，可以接收BD/GLONASS/GPS差分信号，采用载波差分模式将大幅度的提高GNSS模块的定位、测速精度，进而提高本发明所提供的MSINS/GNSS组合系统的精度。

4、本发明采用全新的MEMS惯性器件，与传统惯性器件相比较，极大的降低了体积和功耗，并且成本很低，进而本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统与传统的组合导航系统相比较，极大的降低了系统的功耗和体积，同时将大幅度的降低系统成本。

5、本发明一种MSINS/GNSS组合导航系统根据不同运动环境或运动条件下部分参数满足一些特定的条件，引入了附加运动约束的MSINS/GNSS的组合导航机制，提高本发明的适应性和导航精度。

综上所述，现阶段，采用本发明提供的上述技术改正过的MSINS/GNSS组合导航系统进行载体的导航系统，即能够满足低成本、高集成的要求，又能达到相对较高的定位精度和较高的可靠性。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，包括：

MEMS模块，所述MEMS模块包括MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，所述MEMS陀螺仪用于输出角速度信号，所述MEMS加速度计用于输出加速度信息；

GNSS模块，所述GNSS模块用于接收并输出卫星导航信号；

导航计算机，与所述MEMS模块和所述GNSS模块相连，该导航计算机根据所述MEMS陀螺仪输出的角速度信号、所述MEMS加速度计输出的加速度信息以及所述GNSS模块输出的卫星导航信号进行误差补偿运算、姿态解算、位置速度解算，最终得到本导航系统的位置、姿态、速度信息。

2.如权利要求1所述的MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，所述MEMS陀螺仪为三轴MEMS陀螺仪，所述MEMS加速度计为三轴MEMS加速度计。

3.如权利要求1所述的MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，所述GNSS模块具有一片集成有BD/GLONASS/GPS三系统的芯片，该芯片包括BD前端信号处理单元、GLONSS前端信号处理单元、GPS前端信号处理单元和基带处理单元，所述BD前端信号处理单元、所述GLONSS前端信号处理单元、所述GPS前端信号处理单元的信号输出端均与所述基带处理单元的信号输入端相连。

4.如权利要求3所述的MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，所述GNSS模块还包括有GNSS天线，所述GNSS天线分别与所述BD前端信号处理单元、所述GLONSS前端信号处理单元、所述GPS前端信号处理单元的信号输入端相连接。

5.如权利要求1所述的MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，所述导航计算机包括数学平台、滤波计算模块和运动状态监测单元，所述数学平台分别与所述MEMS陀螺仪和所述MEMS加速度计相连，所述运动状态监测单元与所述数学平台相连以获取信息，所述滤波计算模块分别与所述数学平台、所述运动状态监测单元和所述GNSS模块相连，通过所述滤波计算模块提供的惯性误差来对所述数学平台输出的信息进行校准。

6.如权利要求5所述的MSINS/GNSS组合导航系统，其特征在于，所述数学平台包括误差补偿单元、姿态矩阵单元、姿态矩阵计算单元和姿态方位计算单元，所述姿态矩阵计算单元分别与所述误差补偿单元、所述姿态矩阵单元和所述姿态方位计算单元相连；

所述滤波计算模块连接所述姿态矩阵计算单元，以提供一反馈信号至所述姿态矩阵计算单元。

7.一种采用权利要求1-6任意一所述的MSINS/GNSS组合导航系统获取导航坐标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

误差补偿单元接收MEMS陀螺仪输出的角速度信号以及MEMS加速度计输出的比力加速度信息，并进行误差补偿，输出误差改正过后的角速度、加速度信息；

姿态矩阵计算单元初始时刻利用初始信息进行初始化，后续使用姿态矩阵算法计算相应时刻的姿态矩阵；

姿态矩阵单元运用姿态更新算法更新矩阵，并转换到该组合导航系统的绝对值的姿态角数值；

姿态方位计算单元运用姿态矩阵计算单元输出的信息进行姿态角输出，供载体应用；

滤波计算单元接收GNSS模块输出的位置速度信息以及运动状态监测单元的运动约束信息，以得到惯性误差；

根据数学平台输出的角速度和加速度信息以及滤波计算单元输出的惯性误差来对进行运算得到要输出的位置、速度信息。

8.如权利要求7所述的获取导航坐标的方法，其特征在于，使用扩展卡尔曼滤波运算得到要输出的位置、速度信息。

9.如权利要求7所述的获取导航坐标的方法，其特征在于，运动状态监测单元的工作步骤为：

利用误差补偿单元将MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的原始数据进行低通滤波，以减小原始数据噪声；

设定固定时间为1秒的窗口，该窗口随着时间变化向前滑动，取窗口内原始数据的平均值；

比较窗口内加速度幅值和重力加速度的大小，两者做差小于某一阈值作为判断车辆静止的条件之一；

窗口内每轴陀螺仪输出的值都小于某一阀值为判断车辆静止的另一条件；

MEMS加速度计和MEMS陀螺仪数据判断车辆静止的条件都满足时，则判断车辆为静止状态，利用零速观测量修正组合导航系统状态量。