CN109341684A - 组合惯导设备 - Google Patents

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李希伦
姜楠
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    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system
    • G01S19/49—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system whereby the further system is an inertial position system, e.g. loosely-coupled

Abstract

本发明公开的组合惯导设备，涉及卫星导航技术领域，包括惯性测量单元IMU、全球导航卫星系统GNSS模块及计算模块，其中IMU用于实时获取载体的第一伪距及第一伪距率并将第一伪距及第一伪距率发送至计算模块，GNSS模块，包括主天线和从天线，用于实时获取载体的第二伪距及第二伪距率并将第二伪距及第二伪距率发送至计算模块，计算模块用于计算第一伪距与第二伪距之间的第一差值及第一伪距率与第二伪距率之间的第二差值，根据第一差值及第二差值，根据第一差值及第二差值，校正IMU与载体、GNSS模块与载体及IMU与GNSS模块之间的位置关系，提高了设备的导航精度及续航能力，解决了现有设备存在的导航精度低及续航能力差的缺陷。

Description

组合惯导设备
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种组合惯导设备。
背景技术
无人车等载体使用惯导数据前，需要先确定惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)、全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)和载体三者之间的安装关系。这是因为控制无人车所需的位置、姿态信息以载体后轴中心为坐标原点。而IMU输出的位置、姿态信息，以IMU的测量中心为原点，该导航信息需进行平移和旋转后才能用于载体的控制。故需要获取载体到IMU的平移向量和旋转矩阵及载体和IMU的安装关系。同理，GNSS模块输出的位置，航向信息的以主天线的相位中心为原点，同样需要取得准确的平移向量后，才能用到无人车等载体的控制系统中。
目前确定载体和GNSS及IMU的安装关系的方法包括通过已知的结构尺寸确定安装关系及通过光学标定确定安装关系两种。
无人车等载体所需的硬件种类繁多。除了安装在载体外传感器之外，其他部件均安装在载体内部。但是这也导致安装在载体内部的IMU与安装在载体外部的GNSS天线的位置关系难以通过量测或光学标定的方法实现。因没有相应的标定条件，导致载体与IMU及GNSS之间的安装关系不准确，惯导系统导航的精确度较低。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明实施例提供了一种组合惯导设备，包括：惯性测量单元IMU、全球导航卫星系统GNSS模块及计算模块，其中：
所述IMU，用于实时获取载体的第一伪距及第一伪距率并将所述第一伪距及所述第一伪距率发送至所述计算模块；
所述GNSS模块，包括主天线和从天线，用于实时获取载体的第二伪距及第二伪距率并将所述第二伪距及所述第二伪距率发送至所述计算模块；
所述计算模块，分别与所述IMU及所述GNSS模块连接，用于计算所述第一伪距与所述第二伪距之间的第一差值及所述第一伪距率与所述第二伪距率之间的第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，校正所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系。
优选地，所述计算模块还用于，利用卡尔曼滤波及所述第一差值及所述第二差值，对INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差进行优化，根据优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差，对所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系进行校正。
优选地，所述设备还包括：显示模块，所述显示模块与所述计算模块连接，用于实时显示优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差。
优选地，所述GNSS模块的数量为2个。
本发明实施例提供的组合惯导设备，具有以下有益效果：
能够消除由GNSS模块Kalman滤波器导致的未建模误差，从而达到了本质上提高设备的导航精度的目的；
由于利用的是设置于载体外部的GNSS接收机各个通道上接收的伪距、伪距率等初始信息，所以GNSS接收机在短时间内因卫星遮蔽、中断或卫星信号衰减导致的可见星数少于4颗时，该设备仍然能够提供导航输出，避免了现有惯性导航设备单独工作时存在的误差积累过快的情况，提高了设备的续航能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的组合惯导设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明实施例提供的组合惯导设备包括：惯性测量单元IMU、全球导航卫星系统GNSS模块及计算模块，其中：
所述IMU，用于实时获取载体的第一伪距及第一伪距率并将所述第一伪距及所述第一伪距率发送至所述计算模块；
所述GNSS模块，包括主天线和从天线，用于实时获取载体的第二伪距及第二伪距率并将所述第二伪距及所述第二伪距率发送至所述计算模块；
所述计算模块，分别与所述IMU及所述GNSS模块连接，用于计算所述第一伪距与所述第二伪距之间的第一差值及所述第一伪距率与所述第二伪距率之间的第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，校正所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系。
可选地，所述计算模块还用于，利用卡尔曼滤波及所述第一差值及所述第二差值，对INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差进行优化，根据优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差，对所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系进行校正。
可选地，所述设备还包括：
显示模块，所述显示模块与所述计算模块连接，用于实时显示优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差。
可选地，所述GNSS模块的数量可以为2个，也可以为多个。
其中，本发明实施例提供的组合惯导设备的工作原理如下：
通过GNSS对原始伪距、载波相位的观测值，计算出载体运动的航向轨迹，通过IMU获得的加速度，解算出IMU此时的航向轨迹。当载体坐标系和IMU坐标系的航向轴重叠时，筛除载体的航迹向和纯惯性导航输出的航向应不一致的数据后，用做差的方法获得载体与IMU的安装角度偏差。
设主天线到从天线的向量为D，主天线和从天线的位置数据可通过RTK状态下高精度的位置数据获得，设从天线在ECEF坐标系下的坐标为S(x2,y2)，主天线坐标为P(x1,y1)。向量D＝(x2-x1,y2-y1)。同理，使用高精度的位置数据获得运动载体在ECEF坐标系中的航迹向，设航迹向的单位向量在ECEF坐标系中的描述为T。最终通过旋转矩阵HD T和向量长度|D|求取的主天线到从天线的力臂。
本发明实施例提供的组合惯导设备包括惯性测量单元IMU、全球导航卫星系统GNSS模块及计算模块，其中IMU用于实时获取载体的第一伪距及第一伪距率并将第一伪距及第一伪距率发送至计算模块，GNSS模块，包括主天线和从天线，用于实时获取载体的第二伪距及第二伪距率并将第二伪距及第二伪距率发送至计算模块，计算模块，分别与IMU及GNSS模块连接，用于计算第一伪距与第二伪距之间的第一差值及第一伪距率与第二伪距率之间的第二差值，根据第一差值及第二差值，根据第一差值及第二差值，校正IMU与载体、GNSS模块与载体及IMU与GNSS模块之间的位置关系，提高了设备的导航精度及续航能力。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
可以理解的是，上述方法及装置中的相关特征可以相互参考。另外，上述实施例中的“第一”、“第二”等是用于区分各实施例，而并不代表各实施例的优劣。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
此外，存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种组合惯导设备，其特征在于，包括：惯性测量单元IMU、全球导航卫星系统GNSS模块及计算模块，其中：
所述IMU，用于实时获取载体的第一伪距及第一伪距率并将所述第一伪距及所述第一伪距率发送至所述计算模块；
所述GNSS模块，包括主天线和从天线，用于实时获取载体的第二伪距及第二伪距率并将所述第二伪距及所述第二伪距率发送至所述计算模块；
所述计算模块，分别与所述IMU及所述GNSS模块连接，用于计算所述第一伪距与所述第二伪距之间的第一差值及所述第一伪距率与所述第二伪距率之间的第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，根据所述第一差值及所述第二差值，校正所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述计算模块还用于，
利用卡尔曼滤波及所述第一差值及所述第二差值，对INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差进行优化，根据优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差，对所述IMU与载体、所述GNSS模块与载体及所述IMU与所述GNSS模块之间的位置关系进行校正。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：
显示模块，所述显示模块与所述计算模块连接，用于实时显示优化后的INS的速度、位置、姿态及所述GNSS的时钟误差。
4.根据权利要求1-3任一项所述的设备，其特征在于，所述GNSS模块的数量为2个。
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