CN110515106B - 一种bds、gps相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及定位方法 - Google Patents

一种bds、gps相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及定位方法，包括空间卫星装置，实现卫星信息的收集；地面融合装置，其接收空间卫星装置发送的卫星信息，同时对接收到的卫星信息进行数据处理；车辆行驶装置，包括接收单元和感知装置，感知装置获取车辆附近环境信息，接收单元接收地面融合装置处理后的数据信息、感知装置获取的车辆附近环境信息以及空间卫星装置收集到的卫星信息，其中，地面融合装置处理后的数据信息与收集到的卫星信息之间形成双误差；交通道路数据库，其为车辆发送实时交通路况信息；本发明用于为车辆驾驶人提供准确定位，同时可以实现车辆在森林高楼、隧道、地下停车场丢失卫星信号情况下的高精准定位，为智能网联车提供技术支持。

Description

一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及 定位方法
技术领域
本发明涉及一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及定位方法，属于车辆感知技术领域。
背景技术
车辆高精准定位，是未来无人驾驶汽车的安全行驶保障，同时精准定位越来越受到驾驶人的重视，高精准定位为驾驶人提供高效交通路况通行信息提供强有力基础。
现有车载GPS系统，无法为行车提供精准定位信息，无法使车辆行驶在最优路况，BDS定位系统精度能够达到水平距离10米，于2018年12月28对全球免费开放，但GPS系统与BDS系统都无法实现高精准定位，现如今无一款BDS与GPS结合的定位系统给自动驾驶与无人驾驶带来瓶颈问题，近年来国家大力出台了许多促进智能驾驶车辆产业发展的政策和文件，使加快车辆定位与国产化的BDS系统的技术发展提供了基础。
随着智能网联汽车的高速发展，车辆的高精准定位给无人驾驶及智能网联汽车效益越发彰显，由于受到卫星时钟与钟差的影响，车辆行驶在森林高楼与隧道、地下停车场接收到不精准定位给驾驶人带来麻烦，同时影响到智能交通的便利通行；发明一种适合各种车型的定位方法可以解决了驾驶人行车的路盲问题，同时发明一种高精准定位方法解决了道路安全驾驶问题与城市道路拥堵问题，因此现在研制出一种BDS+GPS多源信息融合多模态车辆定位方法对现有的车辆驾驶及未来的无人驾驶有重要意义。
发明内容
本发明提供一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置及定位方法，用于为车辆驾驶人提供准确定位，同时可以实现车辆在森林高楼、隧道、地下停车场丢失卫星信号情况下的高精准定位，为智能网联车提供技术支持。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置，
包括空间卫星装置，其包括BDS卫星组和GPS卫星组，两者结合实现卫星信息的收集；
包括地面融合装置，其接收空间卫星装置发送的卫星信息，同时对接收到的卫星信息进行数据处理；
包括车辆行驶装置，包括接收单元和感知装置，感知装置获取车辆附近环境信息，接收单元接收地面融合装置处理后的数据信息、感知装置获取的车辆附近环境信息以及空间卫星装置收集到的卫星信息，其中，地面融合装置处理后的数据信息与收集到的卫星信息之间形成双误差；
包括交通道路数据库，其为车辆发送实时交通路况信息；
作为本发明的进一步优选，
前述的空间卫星装置中，BDS卫星组包括第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星以及第四BDS卫星，GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星，其中BDS卫星组与地面之间的高度大于GPS卫星组与地面之间的高度，还包括卫星发射器，其将空间卫星组的卫星信息发送至车辆行驶装置、地面融合装置；
前述的地面融合装置包括GPS接收机、BDS接收机、基站接收机、基站控制器、基站单元、远程射频单元、发射单元以及差分融合单元，其中GPS接收机、BDS接收机分别接收GPS卫星组、BDS卫星组发射的信号后传送至基站接收机，基站控制器通过差分融合单元进行数据处理，
远程射频单元置于发射单元内，将基站控制器处理后的数据通过基站单元放大后进行发送；
前述的车辆行驶装置包括接收单元、车载GPS接收机以及车载BDS接收机，其中接收单元接收差分融合单元传送的信息，车载GPS接收机及车载BDS接收机用于接收空间卫星装置传送的信息；车辆行驶装置还包括安装在车辆上的感知装置，其包括第一雷达、第二雷达、第三雷达、第四雷达、第一激光扫描仪、第二激光扫描仪以及惯性测量单元，车辆通过各个雷达以及各个激光扫描仪感知车辆周围环境信息，并将环境信息传送至接收单元进行数据处理；
作为本发明的进一步优选，
还包括交通道路数据库，包括区域实时地图、道路交通标志以及道路实时数据库，实时获取交通路况信息，同时提供定位区域实时信息；
作为本发明的进一步优选，
前述的惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，其实现车辆在无空间卫星装置信号发送情况下的短时精准定位；
一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位方法，包括以下步骤：
第一步：空间卫星装置中的GPS卫星组、BDS卫星组收集地面融合装置以及车辆的初始定位值，通过卫星发射器发出；
第二步：地面融合装置的GPS接收机、BDS接收机接收卫星发射器发出的卫星信息，传送至基站接收机，基站控制器将接收到的卫星信息通过差分融合单元进行数据处理，处理后的数据融合卡尔曼滤波算法进行优化，优化后的数据通过发射单元内部的远程射频单元进行发送；
第三步：车辆行驶装置的接收单元接收远程射频单元发送的数据，同时车载GPS接收机、车载BDS接收机接收空间卫星装置发出的卫星信息，两者之间形成的双误差形成多模态差分定位；
第四步：安装在车辆上的第一雷达、第二雷达、第三雷达以及第四雷达获取道路交通的实时信息，第一激光扫描仪、第二激光扫描仪获取相邻车辆行驶的安全距离；
第五步：惯性测量单元获取车辆经过城市森林、隧道以及地下停车场时短时间的卫星信号的缺失实现实时的精准定位；第六步：通过上述各种定位，结合交通道路数据库中的道路实时数据库，获取区域实时地图以及道路交通标志，最终形成多源信息融合多模态车辆定位；
作为本发明的进一步优选，
前述的差分融合单元处理步骤具体包括以下：
设定第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在x向的坐标分别为x1～x8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在y向的坐标分别为y1～y8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在z向的坐标分别为z1～z8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星由空间卫星装置的信息发送时间到基站接收机信息获取时间之间的时间差为
Figure BDA0002139795710000031
根据公式求得空间卫星装置的伪距误差，
Figure BDA0002139795710000041
其中c为光速，
Figure BDA0002139795710000042
定义为各卫星之间的伪距，求得各卫星之间的伪距误差，通过以下公式
Figure BDA0002139795710000043
获取第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星的误差均值Δl，c同样是指光速。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用多源信息融合的多模态车辆定位方法，满足了单卫星组的定位大幅度误差；
2、本发明初精准定位后进行地图匹配的高精度定位，能够完成车载传感器、多模态双卫星组、地面融合装置、道路地图的融合实时定位。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的优选实施例的地面融合装置的结构组成图；
图3是本发明的优选实施例的车辆行驶装置的结构组成图；
图4是本发明的优选实施例的交通道路数据库的结构组成图；
图5是本发明的优选实施例的车辆行驶装置的信息传递图。
图中：1为第一BDS卫星，2为第二BDS卫星，3为第三BDS卫星，4为第四BDS卫星，5为第一GPS卫星，6为第二GPS卫星，7为第三GPS卫星，8为第四GPS卫星，9为车辆。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图5所示，本申请在实施过程中需要以下显示部分：1为第一BDS卫星，2为第二BDS卫星，3为第三BDS卫星，4为第四BDS卫星，5为第一GPS卫星，6为第二GPS卫星，7为第三GPS卫星，8为第四GPS卫星，9为车辆。
图1所示，本发明的一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置，
包括空间卫星装置，其包括BDS卫星组和GPS卫星组，两者结合实现卫星信息的收集；
包括地面融合装置，其接收空间卫星装置发送的卫星信息，同时对接收到的卫星信息进行数据处理；
包括车辆行驶装置，包括接收单元和感知装置，感知装置获取车辆附近环境信息，接收单元接收地面融合装置处理后的数据信息、感知装置获取的车辆附近环境信息以及空间卫星装置收集到的卫星信息，其中，地面融合装置处理后的数据信息与收集到的卫星信息之间形成双误差；
包括交通道路数据库，其为车辆发送实时交通路况信息。
实施例1：
前述的空间卫星装置中，BDS卫星组包括第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星以及第四BDS卫星，GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星，其中BDS卫星组与地面之间的高度大于GPS卫星组与地面之间的高度，还包括卫星发射器，其将空间卫星组的卫星信息发送至车辆行驶装置、地面融合装置；
需要说明的是，GPS卫星组位于太空2万千米处，为了提高初始定位精度，至少需要四颗GPS卫星，在本申请的优选实施例中，我们选用四颗GPS卫星，分别定义为第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星，BDS卫星组位于太空2.1万千米处，同样为了提高初始定位精度，至少需要四颗BDS卫星，在本申请的优选实施例中，我们选用四颗BDS卫星，分别定义为第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星以及第四BDS卫星，空间卫星装置将信息通过卫星发射器发送至车辆行驶装置以及地面融合装置处。
实施例2：
图2所示，前述的地面融合装置包括GPS接收机、BDS接收机、基站接收机、基站控制器、基站单元、远程射频单元、发射单元以及差分融合单元，其中GPS接收机、BDS接收机分别接收GPS卫星组、BDS卫星组发射的信号后传送至基站接收机，基站控制器通过差分融合单元进行数据处理，
远程射频单元置于发射单元内，将基站控制器处理后的数据通过基站单元放大后进行发送；
GPS接收机、BDS接收机以及基站接收机接收空间卫星组发送的信息，基站控制器进行实时算法计算，实现初定位信息统计。
基站接收机为地面接收站装置的接收外部信号的主要设备，同时可以接收到自己位置的伪距，为准确测量位置奠定基础；
基站控制器为方便接收卫星组信号与发射卫星组信号设计的控制器，同时可以实时控制接收信号与发送信号；
基站单元是远端将基带光信号转成射频信号，将卫星射频信号接收后放大再传送出去。
实施例3：
图3所示，前述的车辆行驶装置包括接收单元、车载GPS接收机以及车载BDS接收机，其中接收单元接收差分融合单元传送的信息，车载GPS接收机及车载BDS接收机用于接收空间卫星装置传送的信息；车辆行驶装置还包括安装在车辆上的感知装置，其包括第一雷达、第二雷达、第三雷达、第四雷达、第一激光扫描仪、第二激光扫描仪以及惯性测量单元，车辆通过各个雷达以及各个激光扫描仪感知车辆周围环境信息，并将环境信息传送至接收单元进行数据处理；
前述的惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，其实现车辆在无空间卫星装置信号发送情况下的短时精准定位；
安装在车辆上的第一雷达、第二雷达、第三雷达以及第四雷达获取道路交通的实时信息，第一激光扫描仪、第二激光扫描仪获取相邻车辆行驶的安全距离；惯性测量单元获取车辆经过城市森林、隧道以及地下停车场时短时间的卫星信号缺失实现短时间的实时精准定位；
上述各个发射电磁波对目标进行感知并接收返回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率径向速度、方位、高度等信息，利用IMM卡尔曼滤波进行不同传感器的实时的状态与方差信息进行提取，同时实时计算出融合算法中的各个状态的均值与误差协方差，在IMM算法下进行迭代计算车辆的在不同时间下的车辆的行驶位置；
实施例4：
图4所示，还包括交通道路数据库，包括区域实时地图、道路交通标志以及道路实时数据库，实时获取交通路况信息，同时提供定位区域实时信息；
道路实时数据库提供道路段之间的拓扑连接关系，同时给出各个顶点的路段所附带路段宽度、限速和单/双向情况、道路警示标志及红绿灯等信息，车辆行驶在道路上，接收到道路实时数据库传来的区域实时地图及道路交通标志，可以得到实时交通路况实时信息，当车辆行驶在道路时可以实时车辆前方警示牌及红绿灯等道路交通标志的相对距离为车辆行驶在道路的相对定位提供估计安全距离，同时提供定位的区域实时参考，使车辆能够在最优路况上行驶。
实施例5：
图5所示，一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位方法，包括以下步骤：
第一步：空间卫星装置中的GPS卫星组、BDS卫星组收集地面融合装置以及车辆的初始定位值，通过卫星发射器发出；
第二步：地面融合装置的GPS接收机、BDS接收机接收卫星发射器发出的卫星信息，传送至基站接收机，基站控制器将接收到的卫星信息通过差分融合单元进行数据处理，处理后的数据融合卡尔曼滤波算法进行优化，优化后的数据通过发射单元内部的远程射频单元进行发送；
第三步：车辆行驶装置的接收单元接收远程射频单元发送的数据，同时车载GPS接收机、车载BDS接收机接收空间卫星装置发出的卫星信息，两者之间形成的双误差形成多模态差分定位；
第四步：安装在车辆上的第一雷达、第二雷达、第三雷达以及第四雷达获取道路交通的实时信息，第一激光扫描仪、第二激光扫描仪获取相邻车辆行驶的安全距离；
第五步：惯性测量单元获取车辆经过城市森林、隧道以及地下停车场时短时间的卫星信号的缺失实现实时的精准定位；第六步：通过上述各种定位，结合交通道路数据库中的道路实时数据库，获取区域实时地图以及道路交通标志，最终形成多源信息融合多模态车辆定位；
前述的差分融合单元处理步骤具体包括以下：
设定第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在x向的坐标分别为x1～x8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在y向的坐标分别为y1～y8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在z向的坐标分别为z1～z8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星由空间卫星装置的信息发送时间到基站接收机信息获取时间之间的时间差为
Figure BDA0002139795710000071
根据公式求得空间卫星装置的伪距误差，
Figure BDA0002139795710000081
其中c为光速，
Figure BDA0002139795710000082
定义为各卫星之间的伪距，求得各卫星之间的伪距误差，通过以下公式
Figure BDA0002139795710000083
获取第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星的误差均值Δl，c同样是指光速。
本申请解决了智能网联汽车的定位问题“卡脖子”问题，综合大幅度改善车辆定位，加快了车辆智能化发展。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置，其特征在于：
包括空间卫星装置，其包括BDS卫星组和GPS卫星组，两者结合实现卫星信息的收集；
包括地面融合装置，其接收空间卫星装置发送的卫星信息，同时对接收到的卫星信息进行数据处理；
包括车辆行驶装置，包括接收单元和感知装置，感知装置获取车辆附近环境信息，接收单元接收地面融合装置处理后的数据信息、感知装置获取的车辆附近环境信息以及空间卫星装置收集到的卫星信息，其中，地面融合装置处理后的数据信息与收集到的卫星信息之间形成双误差；
包括交通道路数据库，其为车辆发送实时交通路况信息；
前述的空间卫星装置中，BDS卫星组包括第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星以及第四BDS卫星，GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星，其中BDS卫星组与地面之间的高度大于GPS卫星组与地面之间的高度，还包括卫星发射器，其将空间卫星组的卫星信息发送至车辆行驶装置、地面融合装置；
前述的地面融合装置包括GPS接收机、BDS接收机、基站接收机、基站控制器、基站单元、远程射频单元、发射单元以及差分融合单元，其中GPS接收机、BDS接收机分别接收GPS卫星组、BDS卫星组发射的信号后传送至基站接收机，基站控制器通过差分融合单元进行数据处理，
远程射频单元置于发射单元内，将基站控制器处理后的数据通过基站单元放大后进行发送；
前述的车辆行驶装置包括接收单元、车载GPS接收机以及车载BDS接收机，其中接收单元接收差分融合单元传送的信息，车载GPS接收机及车载BDS接收机用于接收空间卫星装置传送的信息；车辆行驶装置还包括安装在车辆上的感知装置，其包括第一雷达、第二雷达、第三雷达、第四雷达、第一激光扫描仪、第二激光扫描仪以及惯性测量单元，车辆通过各个雷达以及各个激光扫描仪感知车辆周围环境信息，并将环境信息传送至接收单元进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置，其特征在于：还包括交通道路数据库，包括区域实时地图、道路交通标志以及道路实时数据库，实时获取交通路况信息，同时提供定位区域实时信息。
3.根据权利要求1所述的BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位装置，其特征在于：前述的惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，其实现车辆在无空间卫星装置信号发送情况下的短时精准定位。
4.一种BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：空间卫星装置中的GPS卫星组、BDS卫星组收集地面融合装置以及车辆的初始定位值，通过卫星发射器发出；
第二步：地面融合装置的GPS接收机、BDS接收机接收卫星发射器发出的卫星信息，传送至基站接收机，基站控制器将接收到的卫星信息通过差分融合单元进行数据处理，处理后的数据融合卡尔曼滤波算法进行优化，优化后的数据通过发射单元内部的远程射频单元进行发送；
第三步：车辆行驶装置的接收单元接收远程射频单元发送的数据，同时车载GPS接收机、车载BDS接收机接收空间卫星装置发出的卫星信息，两者之间形成的双误差形成多模态差分定位；
第四步：安装在车辆上的第一雷达、第二雷达、第三雷达以及第四雷达获取道路交通的实时信息，第一激光扫描仪、第二激光扫描仪获取相邻车辆行驶的安全距离；
第五步：惯性测量单元获取车辆经过城市森林、隧道以及地下停车场时短时间的卫星信号的缺失实现实时的精准定位；
第六步：通过上述各种定位，结合交通道路数据库中的道路实时数据库，获取区域实时地图以及道路交通标志，最终形成多源信息融合多模态车辆定位。
5.根据权利要求4所述的BDS、GPS相结合的多源信息融合多模态车辆定位方法，其特征在于：前述的差分融合单元处理步骤具体包括以下：
设定第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在x向的坐标分别为x1～x8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在y向的坐标分别为y1～y8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星在z向的坐标分别为z1～z8，第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星由空间卫星装置的信息发送时间到基站接收机信息获取时间之间的时间差为
Figure FDA0003737594520000021
根据公式求得空间卫星装置的伪距，
Figure FDA0003737594520000031
其中c为光速，
Figure FDA0003737594520000032
定义为各卫星之间的伪距，求得各卫星之间的伪距误差，通过以下公式
Figure FDA0003737594520000033
获取第一BDS卫星、第二BDS卫星、第三BDS卫星、第四BDS卫星、GPS卫星组包括第一GPS卫星、第二GPS卫星、第三GPS卫星以及第四GPS卫星的误差均值Δl，c同样是指光速。
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