CN105607104B

CN105607104B - 一种基于gnss与ins的自适应导航定位系统及方法

Info

Publication number: CN105607104B
Application number: CN201610058683.5A
Authority: CN
Inventors: 刘淼; 王学东
Original assignee: Chengdu Bainarui Information Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Bainarui Information Technology Co Ltd
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2036-01-28
Also published as: CN105607104A

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统及方法，包括GNSS接收机、IMU惯性测量单元、捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块、导航定位融合模块和电源模块，GNSS接收机将定位信息和卫星信息发送至导航定位融合模块，所述IMU惯性测量单元将导航定位信息依次通过捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块发送至导航定位融合模块，所述导航定位融合模块进行GNSS与INS导航定位信息进行融合后输出。与现有技术相比，本发明可实现导航定位的平滑切换，且易于实现，容易移植到低成本处理器上。实现了PDR步长估计K值自适应、自校准，增加在PDR中的导航定位精度。

Description

一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统及方法

技术领域

本发明涉及一种导航定位系统及方法，尤其涉及一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统及方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统)，如北斗(BEIDOU)、GPS、Glonass等，越来越多的被人们所熟知。在室外空旷区域，其定位精度通常优于5米，该精度已经满足普通生活、生产所需。但在室内、地下、建筑密集区域，通常造成GNSS信号微弱、丢失以及产生多径效应，这些因素都会造成GNSS定位不准确，甚至无法定位。

INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统)主要由IMU(InertialMeasurement Unit，惯性测量单元)组成，通常包括以下模块：3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴地磁计。其通过对惯性测量数据进行处理后，可得出对象的加速度、角速度、本地地磁信息，进而能够计算得出速度、姿态、航向等信息。在给定初始位置的基础上，可利用IMU进行自主导航定位，可以解决GNSS系统的覆盖问题。

传统IMU模块一般应用在舰船、飞机、特种装备上，其优点是测量精度高、漂移率小，能适应长时间连续工作，缺点是体积大、功耗高且价格昂贵。因此，传统IMU给行人导航定位带来了巨大的门槛。

当INS应用到行人时，由于行人行动加速度很小、速度低，加之MEMS IMU器件自身测量精度与漂移的缺陷，传统INS导航处理算法会在短时间造成巨大的累积误差，无法长时间提供准确的导航定位信息。为了克服MEMS IMU器件的劣势，通常在行人导航定位领域采用PDR(Pedestrian Dead-Reckoning，行人航迹推算)来进行处理。

行人航迹推算，是通过IMU检测判断行人跨步动作、估计步长、检测行动航向以实现行人的导航定位。传统行人航迹推算，步长估计依靠经验公式，无法进行动态调整，而且人体之间的差异性会导致每个人员在使用同一套定位算法时差异化严重，导致导航定位不准确。

发明内容

本发明针对PDR的步长估计模型不具有统一性，本发明提出了一种在GNSS导航定位状态下步长估计自适应方法，能够改善不同人在使用PDR导航时产生的差异性，提升PDR导航定位精度，对模糊区域的处理，能够改善INS导航定位起始信息，使室内外导航定位信息平滑过渡。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，包括GNSS接收机、IMU惯性测量单元、捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块、导航定位融合模块和电源模块，

所述GNSS接收机将定位信息和卫星信息发送至导航定位融合模块，

所述IMU惯性测量单元将导航定位信息依次通过捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块发送至导航定位融合模块，

所述PDR行人航迹推算模块通过采集GNSS的导航定位信息进行PDR步长自适应校准，

所述导航定位融合模块进行GNSS与INS导航定位信息进行融合后输出。

作为优选，所述惯性测量单元采用3轴MEMS陀螺仪芯片、3轴MEMS加速度计芯片、3轴MEMS电子罗盘芯片、MEMS气压高度计芯片组成。

作为优选，所述捷联惯导解算模块通过AHRS航姿参考系统计算得到载体航向、横滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和。

一种基于GNSS与INS的自适应导航定位方法，方法步骤如下：

1)GNSS定位信息、卫星信息获取

获取GNSS接收机上报的定位信息、卫星信息，解析协议，缓存定位信息、卫星姿态、卫星信号信噪比、卫星数据有效性，GPS定位信息按时间1秒整合为序列[T_k,Lo_k,La_k]；

2)INS定位信息计算

利用PDR步长估计自适应算法，计算行人惯性测量信息，并做30秒内的缓存，按时间1秒整合为序列[T_k,p_k,y_k]，其中p_k为行人单步步长信息，y_k为航向信息；

3)INS定位更新策略

根据PDR步长估计自适应算法得到的行人惯性测量信息序列[T_k,p_k,y_k]，结合T1时刻的GNSS定位信息，可得到PDR行人定位坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]；

4)GNSS/INS切换策略

判定GNSS接收机定位是否有效，不能仅使用定位有效的提示，需要联合卫星信息综合判断，当卫星数量、卫星信号信噪比低于阈值时，将定位方式切换为INS。

作为优选，步骤3)中进行INS定位更新策略时，当缓存装满后，需要剔掉T1时刻的数据，并接收新缓存数据，此时，PDR定位坐标序列的起始点需要以T2时刻的GNSS定位信息为起始点刷新，即，PDR行人惯性测量信息序列为一30秒的时间滑动窗口，缓存最近30秒的惯性测量数据。使用惯性测量信息滑动窗口第一个数据时刻对应的GNSS定位信息作为惯性导航系统的初始坐标，并计算滑动窗口中所有惯性测量信息所表征的行人定位坐标，以形成行人坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]。

作为优选，进行PDR步长估计自适应算法的方法步骤如下：

1)捷联惯导解算

通过AHRS航姿参考系统计算，得到载体航向、横滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和；

2)PDR跨步检测

对计算得到的重力加速度方向的加速度矢量和，以3Hz为截至频率设计数字低通滤波器，并进行数字低通滤波后，得到行人在重力加速度方向上的加速度变化；

对行人在重力加速度方向上变化的加速度进行峰值检测，并计算邻近极小值与极大值之差的绝对值，该绝对值若超过阈值则可判定为跨步动作，记录跨步动作发生的时间、极小值、极大值，形成序列

3)GNSS定位下实际步长统计

GNSS接收机的通常信息输出频率为1Hz，对于每个GNSS定位信息记录时间、经度、纬度，形成序列[T_m,Lo_m,La_m]，Lo为经度，La为纬度；

4)PDR步长估计自适应

将序列[T_m,Lo_m,La_m]做相应计算与调整，根据经纬度与地理距离的换算可以得到新序列[Ts_m,Te_m,S_m]，其中Ts为起始时刻、Te为结束时刻、S为行人在Ts时刻与Te时刻间的直线距离，根据序列可以得到序列[Ts_m,Te_m,S_m]每个元素所包含的PDR跨步检测信息，

对Ts_m，Te_m，S_m，在序列中，计算跨步时刻在[Ts_m,Te_m]范围内的所有跨步步长比例值序列[P_k]，其中按照比例关系对移动距离S_m进行分配：进而得到得到序列[s_k]；

根据PDR步长估计公式：即ρ_k＝K·P_k

处理步骤可得到了[ρ_k]＝[s_k]、与[P_k]，再利用最小二乘法，可拟合出常数K的最优的解。

作为优选，步骤4)中，设序列中共N个点，则K的估计值为：

利用上述步骤，可得到PDR步长估计中常数K的自适应值，进而对行人PDR导航定位步长估计进行自校准。

与现有技术相比，本发明的优点在于：GNSS与INS导航定位融合方法可实现导航定位的平滑切换，且易于实现，容易移植到低成本处理器上。实现了PDR步长估计K值自适应、自校准，增加在PDR中的导航定位精度。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明工作流程图。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

实施例：一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，参见图1，包括GNSS接收机、IMU惯性测量单元、捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块、导航定位融合模块和电源模块，所述GNSS接收机将定位信息和卫星信息发送至导航定位融合模块，所述IMU惯性测量单元将导航定位信息依次通过捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块发送至导航定位融合模块，所述PDR行人航迹推算模块通过采集GNSS的导航定位信息进行PDR步长自适应校准，所述导航定位融合模块进行GNSS与INS导航定位信息进行融合后输出。所述捷联惯导解算模块通过AHRS航姿参考系统计算得到载体航向、横滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和。

所述惯性测量单元采用3轴MEMS陀螺仪芯片、3轴MEMS加速度计芯片、3轴MEMS电子罗盘芯片、MEMS气压高度计芯片组成。基于MEMS技术的芯片级IMU，给行人导航提供了技术途径。芯片级IMU体积小、功耗低、价格便宜，但其测量精度不高、漂移大，仅能在短时间内进行IMU自主导航定位。

一种基于GNSS与INS的自适应导航定位方法，参见图2，方法步骤如下：

1)GNSS定位信息、卫星信息获取

获取GNSS接收机上报的定位信息、卫星信息，以NMEA协议为例，包括：RMC、GGA、GSV。解析协议，缓存定位信息、卫星姿态、卫星信号信噪比、卫星数据有效性等信息。，GPS定位信息按时间1秒整合为序列[T_k,Lo_k,La_k]；

2)INS定位信息计算

3)INS定位更新策略

INS导航定位是一种自主导航定位方法，其只需关注起始点信息。根据PDR步长估计自适应算法得到的行人惯性测量信息序列[T_k,p_k,y_k]，结合T1时刻的GNSS定位信息，可得到PDR行人定位坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]；当缓存装满后，需要剔掉T1时刻的数据，并接收新缓存数据，此时，PDR定位坐标序列的起始点需要以T2时刻的GNSS定位信息为起始点刷新，即，PDR行人惯性测量信息序列为一30秒的时间滑动窗口，缓存最近30秒的惯性测量数据。使用惯性测量信息滑动窗口第一个数据时刻对应的GNSS定位信息作为惯性导航系统的初始坐标，并计算滑动窗口中所有惯性测量信息所表征的行人定位坐标，以形成行人坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]。

4)GNSS/INS切换策略

由于GNSS接收机在卫星信号不佳时，仍有可能发出“定位有效”的提示，故判定GNSS接收机定位是否有效不能仅使用“定位有效”提示，需要联合卫星信息综合判断。当卫星数量、卫星信号信噪比低于阈值时，需要将定位方式切换为INS。由于已经缓存了30秒的PDR定位信息，故切换过程不会引起定位信息大范围跳动，也不会受到由于平滑判定而带来的滞后影响。

GNSS与INS融合技术，可以为行人构筑室内外全覆盖的导航定位服务。GNSS可采用GPS接收机或者北斗接收机实现，GNSS与INS同时工作，INS保存最近30秒的定位结果。在定位卫星信号较好的室外，直接使用GNSS定位结果，且该结果还可以对INS定位进行修正；在无定位卫星信号时，直接使用INS的定位结果；在定位卫星信号不佳的模糊区域，为了避免反复切换状态，系统通常会通过5～10秒连续判定后才切换导航定位系统，由于系统已经缓存了30秒的定位结果，故可修正在判定期所输出的定位信息。可实现导航定位的平滑切换，且易于实现，容易移植到低成本处理器上。

作为优选，PDR步长估计通常采用如下公式进行估计计算：

其中ρ_k是第k步的估计步长，是第k步中垂直方向上的最大加速度，是第k步中垂直方向上的最小加速度。K为一常数，需要根据每个行人的具体情况进行校准。当使用PDR的时候，难以对每一个行人做详尽的校准，这样会造成一部分行人在使用PDR导航定位时误差较大；其次单个行人在不同情况下行动特性也会发生变化，即步长估计中常数K需要多次校准。为了克服这一困难这造成不同行人在使用同一种PDR进行导航定位时，均按照同一种模型进行步长估计，这会造成部分行人每一步均存在较大误差，并且该种误差会随时间累积，导致工作时间越长，导航定位误差越大。本方法采用在GNSS辅助下，对K值进行自适应调整，

进行PDR步长估计自适应算法的方法步骤如下：

1)捷联惯导解算

2)PDR跨步检测

通常行人步行的跨步频率不会超过3Hz，故对处理后的重力加速度方向的加速度矢量和以3Hz为截至频率设计数字低通滤波器，并进行数字低通滤波后可得到行人在重力加速度方向上的加速度变化；

3)GNSS定位下实际步长统计

GNSS接收机定位信息输出频率是接收机自身所决定的，通常信息输出频率为1Hz，对于每个GNSS定位信息记录时间、经度、纬度，形成序列[T_m,Lo_m,La_m]，Lo为经度，La为纬度；

4)PDR步长估计自适应

由于GNSS定位系统分辨率因素，不一定能标定行人每一步的经纬度变化，故需要将序列[T_m,Lo_m,La_m]做相应计算与调整，根据经纬度与地理距离的换算可以得到新序列[Ts_m,Te_m,S_m]，其中Ts为起始时刻、Te为结束时刻、S为行人在Ts时刻与Te时刻间的直线距离，根据序列可以得到序列[Ts_m,Te_m,S_m]每个元素所包含的PDR跨步检测信息，

根据PDR步长估计公式：即ρ_k＝K·P_k

步骤4)中，设序列中共N个点，则K的估计值为：

为了验证基于GNSS的PDR步长自适应算法能够帮助解决不同行人在使用同一套设备时，仍可获得良好的导航定位精度，我们设计了两组对比实验。

实验(一)

设备状态：关闭PDR步长自适应算法，按照实验人员A的行动特征拟定步长估计公式常数。

实验过程：首先由实验人员A佩戴设备从实验起始点开始行走100米。随后由实验人员B佩戴设备，并将设备初始化到A开始行走前的状态，并重复该过程。可进行多人、多组实验，以便排除偶然性。

实验结果：

实验结果分析：

在跨步判定上，可从上述结果分析得出生理特征不一样的三人，其步数统计平均误差无较大偏差。但由于步长估计公式常数是按照实验人员A的行动特征拟定的，可从实际测试中看出，A测试结果的距离统计平均误差最小。而生理特征、行动特征不一样的B、C两名测试者，其距离统计平均误差与A偏差较大。

上述实验进一步说明了PDR步长估计公式中的常数取值因人而异，同一套常数由于使用者不同，会造成距离统计与实际偏差较大，再次证明了PDR步长自适应算法存在的必要性。

实验(二)：

设备状态：开启PDR步长自适应算法。

实验过程：首先由实验人员A佩戴设备在GPS信号良好的环境中自由行走2分钟。随后，A回到实验起点开始行走100米，并记录实验结果。随后由实验人员B佩戴设备并重复以上过程。可进行多人、多组实验，以便排除偶然性。

实验结果：

实验结果分析：

与实验一的结果做对比，可发现B、C两人的距离统计平均误差大大的降低了。而A的距离统计平均误差反而有所增加，这是因为GPS以及其他GNSS定位系统，所给出的定位点是动态的，这样会增加从GPS端统计得到的移动距离，进而增大PDR步长估计。解决这个问题，需进一步对GPS进行动态滤波等处理手段，因涉及另一领域，不在这里赘述了。

以上对本发明所提供的一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统及方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的，而不会超出附加权利要求所规定的构思和范围，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，其特征在于：包括GNSS接收机、IMU惯性测量单元、捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块、导航定位融合模块和电源模块，

所述导航定位融合模块进行GNSS与INS导航定位信息进行融合后输出；

方法步骤如下：

1)GNSS定位信息、卫星信息获取

2)INS定位信息计算

利用PDR步长估计自适应算法，计算行人惯性测量信息，并做30秒内的缓存，按时间1秒整合为序列[T_k,p_k,y_k]，其中p_k为行人单步步长信息，y_k为航向信息；其中进行PDR步长估计自适应算法的方法步骤如下：

a)捷联惯导解算

b)PDR跨步检测

c)GNSS定位下实际步长统计

d)PDR步长估计自适应

对Ts_m，Te_m，S_m，在序列中，计算跨步时刻在[Ts_m,Te_m]范围内的所有跨步步长比例值序列[P_k]，其中按照比例关系对移动距离S_m进行分配：进而得到序列[s_k]；其中，是第k步中垂直方向上的最大加速度，是第k步中垂直方向上的最小加速度；

根据PDR步长估计公式：即ρ_k＝K·P_k

处理步骤可得到了[ρ_k]＝[s_k]、与[P_k]，再利用最小二乘法，可拟合出常数K的最优的解；

3)INS定位更新策略

根据PDR步长估计自适应算法得到的行人惯性测量信息序列[T_k,p_k,y_k]，结合T₁时刻的GNSS定位信息，可得到PDR行人定位坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]；

4)GNSS/INS切换策略

2.根据权利要求1所述一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，其特征在于：所述惯性测量单元采用3轴MEMS陀螺仪芯片、3轴MEMS加速度计芯片、3轴MEMS电子罗盘芯片、MEMS气压高度计芯片组成。

3.根据权利要求1所述一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，其特征在于：所述捷联惯导解算模块通过AHRS航姿参考系统计算得到载体航向、横滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS与INS的自适应导航定位系统，其特征在于：步骤3)中进行INS定位更新策略时，当缓存装满后，需要剔掉T₁时刻的数据，并接收新缓存数据，此时，PDR定位坐标序列的起始点需要以T₂时刻的GNSS定位信息为起始点刷新，即，PDR行人惯性测量信息序列为一30秒的时间滑动窗口，缓存最近30秒的惯性测量数据，使用惯性测量信息滑动窗口第一个数据时刻对应的GNSS定位信息作为惯性导航系统的初始坐标，并计算滑动窗口中所有惯性测量信息所表征的行人定位坐标，以形成行人坐标序列[T_k,PLo_k,PLa_k]。