CN107436444A - 一种车载多模式组合导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车载多模式组合导航系统及方法，包括惯性测量组合、导航卫星接收装置、高程计和里程计。所述车载多模式组合导航系统依据导航卫星接收装置、里程计、高程计的状态信息，具有惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和卫星导航四种导航模式。本发明应用于车载定位定向系统，可保障系统充分利用设备资源，输出最有效的定位和定向数据，多种导航模式自主切换，在个别设备故障或不可用情况下，可持续保证定位定向数据精度，具有良好的实用性和广泛的应用前景。

Description

一种车载多模式组合导航系统及方法
技术领域
本发明涉及导航技术领域，尤其涉及一种车载多模式组合导航系统及方法。
背景技术
在车辆导航领域，惯性导航系统由于完全自主的特点被广泛应用于提供车辆的定向和定位信息。由于惯性器件(陀螺和加速度计)存在随机漂移的特性，因此惯性导航系统具有定向和定位误差随时间增长的特性。为满足车辆中高精度定位导航的使用需求，通常利用车辆外围的辅助设备如里程计、高程计、卫星定位装置等，与惯性导航系统组成组合导航系统，以抑制惯性导航系统的误差发散，实现长时间高精度的导航定位。
在中高精度需求的车载组合导航系统中，通常采用惯性/里程/高程计的组合导航方法，利用车载里程计信息提供车体前向和惯性导航系统进行航位推算，其典型特征为定位误差随行驶里程而增大，利用高程计信息抑制天向位置的发散；在配备导航卫星定位装置的车辆上，通常采用惯性/卫星的组合导航方法，其典型特性为定位精度可以持续保持在导航卫星定位精度水平，不随行驶里程和时间增大。在前述两种组合导航方案中，均为单模式导航系统，惯性/里程/高程计组合导航系统具有较高的自主性，但定位精度随行驶里程发散；惯性/卫星组合导航系统能维持较高的定位定向精度，但由于导航卫星接收天线容易受到干扰，组合导航状态容易中断。单模式组合导航系统在辅助设备信息无效情况下无法使用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种车载多模式组合导航系统及方法，针对当前车载导航系统的实际需求，采用多模式组合导航方法，用于解决传统单模式组合导航系统在辅助设备无效情况下无法自主输出最优导航数据的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种车载多模式组合导航系统，包括惯性测量组合、导航卫星接收装置、高程计、里程计。所述车载多模式组合导航系统依据导航卫星接收装置、里程计、高程计的状态信息，具有惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和卫星导航四种导航模式。
进一步地，所述导航模式的优先级依次为惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和卫星导航，所述导航模式可按优先级自动切换。
进一步地，在所述惯性测量组合工作正常，导航卫星数据有效，高程计正常情况下，所述组合导航系统工作在惯性/卫星/高程计组合导航模式，所述导航导航卫星提供的时间信息、速度信息和位置信息作为外观测量，实时修正惯性测量组合的水平位置、速度和姿态矩阵；高程输出方式以高程计的高程变化量为主，当高程计输出野值时采用卫星导航高程输出进行解算。
进一步地，在导航卫星数据无效，里程计数据有效，高程计正常情况下，所述组合导航系统工作在惯性/里程计/高程计组合导航模式，系统主要以里程计的里程增量进行航位推算，同时采用Kalman滤波实时修正惯性测量组合的速度和姿态矩阵，估计里程计的航向安装误差和刻度系数；高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
进一步地，在所述惯性/卫星/高程计组合导航模式下，同时惯性/里程计/高程计组合导航为并行进行实时结算，速度输出以惯性/里程计/高程计组合导航为主。
进一步地，在导航卫星数据和里程计数据均无效，惯性测量组合正常的情况下，所述导航系统进行纯惯性导航。
进一步地，在惯性测量组合故障，导航卫星定位装置工作正常的情况下，系统采用卫星导航，系统的姿态角度和航向值均无效，位置、速度、高程采用导航卫星的数据。
一种车载多模式组合导航系统的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、系统加电后进入自检，系统对惯性测量组合、卫星接收装置、高程计、里程计的故障状态进行检测；
步骤2、自检完成后，系统判断惯性测量组合是否故障，如果故障系统转入卫星导航模式，如果正常，则系统进行寻北运算。
步骤3、系统完成寻北运算后，转入导航状态，系统以2ms为一个周期进行判断和导航运算；
步骤4、系统判断导航卫星数据是否有效，如果有效系统进行惯性/卫星组合导航运算，如卫星数据无效，则退出惯性/卫星组合导航模式，系统进入下一步骤判断里程计是否正常。
步骤5、系统判断里程计是否正常，如果正常则系统进行惯性/里程计组合导航，如果里程计工作不正常，则退出惯性/里程计组合导航模式，系统进行惯性导航。
步骤6、依据导航运算结果和导航模式切换原则，系统给外部设备输出最优导航数据。
进一步地，系统的高程计工作正常时，在步骤4中惯性/卫星组合导航模式中，高程输出方式以高程计的高程变化量为主，当高程计输出野值时采用卫星导航高程；在步骤5中惯性/里程计组合导航模式下，高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
本发明有益效果如下：
本发明应用于车载定位定向系统，可保障系统充分利用设备资源，输出最有效的定位和定向数据，多种导航模式自主切换，在个别设备故障或不可用情况下，可持续保证定位定向数据精度，具有良好的实用性和广泛的应用前景。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为车载多模式组合导航系统组成连接图
图2为车载多模式组合导航方法工作流程图
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
一种车载多模式组合导航系统，如图1所示，所述车载多模式组合导航系统由惯性测量组合、导航卫星接收装置、高程计、里程计组成。所述惯性测量组合为组合导航系统的主体设备，包含有三轴陀螺和三轴加速度计，所述惯性测量组合实时接所述收三轴陀螺和所述三轴加速度计测量的车体角速率信号和加速度计信号；所述导航卫星接收装置接收卫星导航信号，输出当前车辆的时间信息、定位信息和速度信息给所述惯性测量组合；所述高程计计算当前车辆的气压高度，输出当前车辆的气压高度信息给所述惯性测量组合；所述里程计计算当前车辆的行驶里程，输出里程脉冲到所述惯性测量组合。
所述车载多模式组合导航系统在导航状态下依据导航卫星接收装置、里程计、高程计的状态信息，具有惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和卫星导航四种导航模式，并且所述导航模式可按优先级自动切换。所述导航模式的优先级见表1，其中，以惯性/卫星/高程计组合导航为最优导航模式，以卫星导航为最劣导航模式。
表1多模式组合导航系统导航模式优先级
序号 导航模式 优先级
1 惯性/卫星/高程计组合导航 最高
2 惯性/里程计/高程计组合导航 高
3 惯性导航 中
4 卫星导航 低
所述车载多模式组合导航系统四种导航模式的判定条件为：
1、惯性/卫星/高程计组合导航。在所述惯性测量组合工作正常，导航卫星数据有效，高程计正常情况下，所述导航系统利用导航导航卫星提供的时间信息、速度信息和位置信息进行惯性/卫星组合导航，导航卫星数据有效判据选取为导航卫星颗数不小于5颗，PDOP小于6.5(以北斗卫星导航系统为例，B3频点)。所述组合导航模式下，所述导航系统以导航卫星定位装置提供的速度和位置信息作为外观测量，进行Klaman滤波，实时修正惯性测量组合的水平位置、速度和姿态矩阵；以所述卫星导航高程变化量和所述高程计的高程变化量实时解算惯性测量组合的高程信息，所述高程计的高程变化量为主，所述卫星导航高程变化量为辅助判断依据，当高程计输出野值时才采用卫星导航高程。
2、惯性/里程计/高程计组合导航。在导航卫星数据无效，里程计数据有效，高程计正常情况下，所述导航系统采用里程计提供的里程脉冲信息进行惯性/里程计组合导航，里程计信息有效判定为里程计单位采样时间内输出不大于车辆最大行驶速度的3倍。所述组合导航模式下，系统主要以里程计的里程增量进行航位推算，同时采用Kalman滤波实时修正惯性测量组合的速度和姿态矩阵，估计里程计的航向安装误差和刻度系数，高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
3、惯性导航。在导航卫星数据和里程计数据均无效，惯性测量组合正常的情况下，所述导航系统进行纯惯性导航。所述纯惯性导航模式下，所述导航系统的水平位置、速度、姿态矩阵均为纯惯性解算的结果，高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
4、卫星导航。在惯性测量组合故障，卫星定位装置工作正常的情况下，系统采用卫星导航。所述卫星导航模式下，系统的姿态角度和航向值均无效，位置、速度、高程采用导航卫星的数据。
在所述惯性/卫星/高程计组合导航模式下，考虑导航卫星的测速精度不如车载里程计的测速精度，同时惯性/里程计/高程计组合导航为并行进行实时结算，速度输出以惯性/里程计/高程计组合导航为主。
所述惯性测量组合和所述导航卫星定位装置均故障或不可用时，则所述车载多模式组合导航系统故障，无法工作。
一种车载多模式组合导航方法如图2所示，包括如下步骤：
步骤1、系统加电后进入自检
所述车载多模式组合导航系统在正常上电后由惯性测量组合开始设备自检，所述自检包括对惯性测量组合、导航卫星接收装置、高程计、里程计的故障状态进行检查。
步骤2、自检完成后，系统判断惯性测量组合是否故障，如果故障系统转入卫星导航模式，如果正常，则系统进行寻北运算。
步骤3、系统完成寻北运算后，转入导航状态，系统以2ms为一个周期进行判断和导航运算；
步骤4、系统判断导航卫星数据是否有效，如果有效系统进行惯性/卫星组合导航运算，如卫星数据无效，则退出惯性/卫星组合导航模式，系统进入下一步骤判断里程计是否正常。
步骤5、系统判断里程计是否正常，如果正常则系统进行惯性/里程计组合导航，如果里程计工作不正常，则退出惯性/里程计组合导航模式，系统进行惯性导航。
步骤6、依据导航运算结果和导航模式切换原则，系统给外部设备输出最优导航数据。
系统的高程计工作正常时，在步骤4中惯性/卫星组合导航模式中，高程输出方式以高程计的高程变化量为主，当高程计输出野值时采用卫星导航高程；在步骤5中惯性/里程计组合导航模式下，高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
本发明技术方案带来的有益效果：
车载多模式组合导航方法应用于车载定位定向系统，可保障系统充分利用设备资源，输出最有效的定位和定向数据，多种导航模式自主切换，在个别设备故障或不可用情况下，可持续保证定位定向数据精度，具有良好的实用性和广泛的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车载多模式组合导航系统，包括惯性测量组合、导航卫星接收装置、高程计和里程计，其特征在于，所述车载多模式组合导航系统依据导航卫星接收装置、里程计、高程计的状态信息，具有惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和导卫星导航四种导航模式。
2.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，所述导航模式的优先级依次为惯性/卫星/高程计组合导航、惯性/里程计/高程计组合导航、惯性导航和卫星导航，所述导航模式可按优先级自动切换。
3.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，在所述惯性测量组合工作正常，导航卫星数据有效，高程计正常情况下，所述组合导航系统工作在惯性/卫星/高程计组合导航模式，所述导航卫星提供的时间信息、速度信息和位置信息作为外观测量，实时修正惯性测量组合的水平位置、速度和姿态矩阵；高程输出方式以高程计的高程变化量为主，当高程计输出野值时采用卫星导航高程输出进行解算。
4.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，在导航卫星数据无效，里程计数据有效，高程计正常情况下，所述组合导航系统工作在惯性/里程计/高程计组合导航模式，系统主要以里程计的里程增量进行航位推算，同时采用Kalman滤波实时修正惯性测量组合的速度和姿态矩阵，估计里程计的航向安装误差和刻度系数；高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
5.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，在所述惯性/卫星/高程计组合导航模式下，同时惯性/里程计/高程计组合导航为并行进行实时结算，速度输出以惯性/里程计/高程计组合导航为主。
6.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，在导航卫星数据和里程计数据均无效，惯性测量组合正常的情况下，所述导航系统进行纯惯性导航。
7.根据权利要求1所述的组合导航系统，其特征在于，在惯性测量组合故障，导航卫星定位装置工作正常的情况下，系统采用卫星导航，系统的姿态角度和航向值均无效，位置、速度、高程采用导航卫星的数据。
8.一种车载多模式组合导航系统的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、系统加电后进入自检，系统对惯性测量组合、卫星接收装置、高程计、里程计的故障状态进行检测；
步骤2、自检完成后，系统判断惯性测量组合是否故障，如果故障系统转入卫星导航模式，如果正常，则系统进行寻北运算；
步骤3、系统完成寻北运算后，转入导航状态，系统以2ms为一个周期进行判断和导航运算；
步骤4、系统判断导航卫星数据是否有效，如果有效系统进行惯性/卫星组合导航运算，如卫星数据无效，则退出惯性/卫星组合导航模式，系统进入下一步骤判断里程计是否正常；
步骤5、系统判断里程计是否正常，如果正常则系统进行惯性/里程计组合导航，如果里程计工作不正常，则退出惯性/里程计组合导航模式，系统进行惯性导航；
步骤6、依据导航运算结果和导航模式切换原则，系统给外部设备输出最优导航数据。
9.根据权利要求8所述的导航方法，其特征在于，系统的高程计工作正常时，在步骤4中惯性/卫星组合导航模式中，高程输出方式以高程计的高程变化量为主，当高程计输出野值时采用卫星导航高程；在步骤5中惯性/里程计组合导航模式下，高程输出方式采用高程计的高程变化量进行解算。
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