CN110793548A - 基于gnss接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统，包括：设置与控制执行模块、GNSS中频信号采集与回放模块、由传感器仿真模块和基于Unreal引擎的仿真场景模块组成的仿真平台、基于仿真平台的导航定位模块和定位精度评定模块，本发明解决了现有仿真系统偏向于感知与控制，在GNSS等导航定位常用的传感器的不够贴近现实的问题。

Description

基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统
技术领域
本发明涉及的是一种卫星导航领域的技术，具体是一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统。
背景技术
随着无人驾驶等无人智能系统对高精度、鲁棒的的自主导航定位方法要求较高。现有技术较难通过单一传感器很难满足在多场景情况下的导航定位的需求，而传感器组合方式多样且算法众多，在测试上很难一次性考虑全面，并且在恶劣天气情况下进行数据采集测试具有一定的危险性，因此使用仿真系统进行测试是未来发展的趋势，是测试环节中重要的一环。
现有的仿真技术存在的缺陷和不足包括：导航定位仿真方法是纯数字形式的，没有场景的支撑在视觉和激光等领域的导航定位及环境感知不能够很好的模拟仿真。对于GNSS的仿真不够精细，GNSS从卫星到地面受了多种误差源的影响，且受场景环境的影响较大，一般的GNSS仿真难以达到模拟的要求，且对GNSS的仿真一般只停留在结果域。对坐标系概念模糊，对于引进GNSS的仿真系统对于椭球系与平面系的转换关系没有定义和说明，没有与真实世界统一。没有完整的精度评价体系，各系统或者各种导航方式的评价方式不一。
发明内容
本发明针对当前已经存在的导航测试仿真系统存在的传感器模型尤其是GNSS仿真不符合现实世界的误差特性以及针对纯数字仿真的系统无法提供环境感知和视觉激光等传感器的单独测试功能的不足，提出一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统，包括：设置与控制执行模块、GNSS中频信号采集与回放模块、由传感器仿真模块和基于Unreal引擎的仿真场景模块组成的仿真平台、基于仿真平台的导航定位模块和定位精度评定模块，其中：设置与控制执行模块分别与GNSS中频信号采集与回放模块、传感器仿真模块和仿真场景模块相连以控制小车的行驶、设置传感器种类数量的搭载和控制回放系统的开关；GNSS中频信号采集与回放模块分别与基于仿真平台的导航定位模块和设置与控制执行计算模块相连，实时采集、处理并储存中频信号，当收到请求时回放并将中频信号上变频至射频接入GNSS接收机中，输出至基于仿真平台的导航定位模块；传感器仿真模块分别与基于仿真平台的导航定位模块和设置与控制执行计算模块相连并对收到的传感器数据进行仿真导航定位；基于Unreal引擎的仿真场景模块分别与传感器仿真模块和设置与控制执行计算模块相连以提供可编辑的测试场景、显示环境及车辆运行；导航定位模块分别与定位精度评定模块、传感器仿真模块和GNSS中频信号采集与回放模块相连，根据传感器仿真模块与GNSS中频信号采集与回放模块所产生的数据进行导航定位并输出导航定位结果至定位精度评定模块；定位精度评定模块与导航定位模块相连并根据测试算法使用对应的评价指标进行定位精度评定。
本发明涉及上述系统的导航仿真测试方法，包括以下步骤：
第一步、在设置与控制执行模块选择待测试场景与路段轨迹，生成平滑轨迹插值点，设置传感器的种类与误差噪声水平。
第二步、通过设置与控制执行模块开启GNSS中频信号采集与回放模块、传感器仿真模块以及基于Unreal引擎的仿真场景模块，显示仿真载体在场景中根据设定轨迹移动并输出GNSS硬件在环数据和仿真传感器数据。
第三步、使用基于仿真平台的导航定位模块接收GNSS硬件在环数据和仿真传感器输出，解算出导航定位结果。定位精度评定模块根据导航定位结果与设定轨迹值输出精度评定信息，以验证导航定位算法的有效性。
技术效果
与现有技术相比，本发明构建的基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的仿真系统及方法相比与传统的导航定位算法仿真测试有着高逼真度的，相比于实际测试有着便捷、快速验证的能力，解决了现有仿真系统偏向于感知与控制，在GNSS等导航定位常用的传感器的不够贴近现实的问题。
附图说明
图1为基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航测试仿真系统示意图；
图2为设置与控制执行模块的细分结构示意图；
图3为轨迹生成单元细分流程图；
图4为GNSS中频信号采集与回放结构示意图；
图5为仿真传感器数据生成细分单元示意图；
图6为基于仿真平台的导航定位模块细分结构图；
图7为仿真坐标转换的流程示意图。
具体实施方式
如图1～图6所示，为本实施例涉及一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航测试仿真系统测试基于联邦卡尔曼滤波的多传感器融合定位程序方法，包括：设置与控制执行模块100、GNSS中频信号采集与回放模块200、传感器仿真模块300、基于Unreal引擎的仿真场景模块400、基于仿真平台的导航定位模块500、定位精度评定模块600。
所述的设置与控制执行模块100用于输入、预设，该模块包括：轨迹生成单元、传感器设置单元、轨迹插值平滑单元和轨迹点坐标转换单元，其中：轨迹生成单元通过人为的选取测试路段模块自动生成仿真系统的场景轨迹，传感器设置单元提供传感器数量、种类以及精度的选择，轨迹插值平滑单元对场景轨迹进行平滑处理，轨迹点坐标转换单元对场景轨迹进行坐标转化与投影处理得到对应于真实世界的仿真坐标系中的轨迹文件，并根据此在场景中显示小车位置。
所述的GNSS中频信号采集与回放模块200，能够事先在现实世界中采集GNSS中频信号并储存，在测试时接收设置与控制执行模块的开启与关闭指令，结合当前小车位置回放GNSS中频信号，并上变频至射频接入接收机中，其解算结果输出至基于仿真平台的导航定位模块500，该GNSS中频信号采集与回放模块200包括：中频信号采集单元、中频信号数据库、射频信号回放单元以及接收机硬件在环处理单元，其中：中频信号采集单元与中频信号数据库相连并传输采集得到的GNSS中频信号信息，中频信号数据库存储中频信号与射频信号回放单元相连并传输所请求的中频信号，射频信号回放单元与接收机硬件在环处理单元相连并传输上变频的射频信号。
所述的传感器仿真模块300与设置与控制执行模块相连以设置实验中传感器的搭载种类、搭载数量与搭载的位置和角度以及传感器的精度水平，根据设置的仿真中小车的实时位置与运动状态将传感器的仿真输出值信息输出至基于仿真平台的导航定位模块500，该传感器仿真模块300包括：传感器精度水平设置单元、传感器噪声生成单元、传感器仿真数据输出单元，其中：传感器精度水平设置单元与传感器误差噪声生成单元相连并传输噪声水平参数信息，传感器噪声生成单元单元与传感器仿真数据输出单元相连并传输噪声误差信息，传感器仿真数据输出单元与导航定位模块相连并传输传感器仿真数据信息。
所述的传感器搭载种类包括IMU、GNSS和相机，搭载数量为IMU和GNSS接收机各为一个，相机为两个，搭载位置为设置GNSS与IMU的杆臂为采集实际值，左相机与IMU重合，右相机基线长1米，且可根据实验情况改变。
在相机传感器仿真设置中，对于噪声源可以添加高斯模糊处理，能够添加镜头畸变；在对于IMU的仿真中可以考虑角度随机游走、零偏不稳定性和角速率随机游走等随机误差噪声源。
所述的基于Unreal引擎的仿真场景模块400与设置与控制执行模块100相连，搭建与GNSS回放轨迹一致的高逼真仿真场景，具体模型由3D高精度地图导入获得，仿真平台坐标与WGS84坐标系存在一个投影坐标变换关系。
所述的基于仿真平台的导航定位模块500与GNSS中频信号采集与回放模块和传感器仿真模块相连，根据待测试的内容自行选择不同的导航定位算法，使用传感器仿真模块和GNSS中频信号采集与回放模块的数据进行定位解算处理并输出解算定位结果至定位精度评定模块，该基于仿真平台的导航定位模块500包括：数据坐标系预处理单元510、滤波融合定位单元520，其中：数据坐标系预处理单元510与滤波融合定位单元520相连并传输转换后的坐标信息，滤波融合定位单元520与定位精度评定模块相连并传输融合定位结果；本实施例中的滤波融合定位单元520采用基于联邦卡尔曼滤波的多传感器融合定位算法进行测试，在融合前需要通过数据坐标系预处理单元510将坐标转换到WGS-84系这个统一的参考坐标系下，具体转换关系可以表示为相机世界坐标系511通过平移旋转到仿真平台坐标系512在经过平移转换到投影坐标系下513最后反投影至WGS84坐标系514下。最终输出解算定位结果至定位精度评定模块600。
在仿真平台中采集数据，根据现实中传感器输出特点，将IMU输出频率设置为100～400Hz，相机拍照频率为10～50Hz，GNSS频率为1～10Hz，在融合过程中IMU按照捷联惯导算法推算，GNSS的定位和测速结果直接修正惯导输出，相机的照片先经过SLAM算法计算出位姿，由于位置是在自己相机世界系下的结果，因此需根据511-514的流程预处理定位结果，再作为滤波观测值更新，修正惯导误差。最终输出在WGS84系下的坐标定位结果。基于仿真平台的导航定位模块500不仅限于上述定位算法，可根据待测的算法不同，可自由更换。
所述的定位精度评定模块600与导航定位模块相连，将测试定位算法输出的定位结果与设定真值比较，将时间对齐后对每个历元的以真值为站心求解算结果在北东地方向上的误差，并作出北东地三向误差的时间序列图，通过平方和求解出三向总误差，并做出误差累积曲线图，从中得到误差统计结果，如输出均方根误差、平均误差及可用性等信息，构成从测试到评价的完整体系。
本实施例中的基于Unreal引擎的仿真场景模块与设置与控制执行模块，通过3D游戏引擎实现，以游戏场景编辑器在平台载体实现了高逼真仿真场景的搭建，并使用显卡和处理器进行平台显示与导航定位解算，该基于Unreal引擎的仿真场景模块与设置与控制执行模块相连以搭建、编辑并显示用于测试的高逼真仿真场景并实时显示载体的运动状态。
所述的GNSS中频信号采集与回放系统模块200、传感器仿真模块300与基于Unreal引擎的仿真场景模块400紧密结合，为多源传感器融合算法的验证提供了极大的便捷性和真实性。
所述的GNSS中频信号采集与回放系统模块200提供高保真的GNSS信号，并配合仿真传感器一同回放的方法，使得融合算法的测试更具有真实性和参考价值。
经过具体实际实验，使用基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的仿真测试方法，得到的GNSS结果一致性超过90％，使用本发明构建的虚实结合的仿真测试系统，经典的视觉定位算法与融合算法均能良好的进行解算，且精度评定更符合现实的情景。实验用例为基于联邦卡尔曼的多传感器融合算法，经本发明系统及方法测试，得结果及精度评定为轨迹310m，平均误差1.029m，均方根误差1.387m，1m可用性83.85％。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于GNSS接收机硬件在环的虚实结合的导航仿真测试系统，其特征在于，包括：设置与控制执行模块、GNSS中频信号采集与回放模块、由传感器仿真模块和基于Unreal引擎的仿真场景模块组成的仿真平台、基于仿真平台的导航定位模块和定位精度评定模块，其中：设置与控制执行模块分别与GNSS中频信号采集与回放模块、传感器仿真模块和仿真场景模块相连以控制小车的行驶、设置传感器种类数量的搭载和控制回放系统的开关；GNSS中频信号采集与回放模块分别与基于仿真平台的导航定位模块和设置与控制执行计算模块相连，实时采集、处理并储存中频信号，当收到请求时回放并将中频信号上变频至射频接入GNSS接收机中，输出至基于仿真平台的导航定位模块；传感器仿真模块分别与基于仿真平台的导航定位模块和设置与控制执行计算模块相连并对收到的传感器数据进行仿真导航定位；基于Unreal引擎的仿真场景模块分别与传感器仿真模块和设置与控制执行计算模块相连以提供可编辑的测试场景、显示环境及车辆运行；导航定位模块分别与定位精度评定模块、传感器仿真模块和GNSS中频信号采集与回放模块相连，根据传感器仿真模块与GNSS中频信号采集与回放模块所产生的数据进行导航定位并输出导航定位结果至定位精度评定模块；定位精度评定模块与导航定位模块相连并根据测试算法使用对应的评价指标进行定位精度评定。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的设置与控制执行模块用于输入、预设，该模块包括：轨迹生成单元、传感器设置单元、轨迹插值平滑单元和轨迹点坐标转换单元，其中：轨迹生成单元通过人为的选取测试路段模块自动生成仿真系统的场景轨迹，传感器设置单元提供传感器数量、种类以及精度的选择，轨迹插值平滑单元对场景轨迹进行平滑处理，轨迹点坐标转换单元对场景轨迹进行坐标转化与投影处理得到对应于真实世界的仿真坐标系中的轨迹文件，并根据此在场景中显示小车位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的GNSS中频信号采集与回放模块，能够事先在现实世界中采集GNSS中频信号并储存，在测试时接收设置与控制执行模块的开启与关闭指令，结合当前小车位置回放GNSS中频信号，并上变频至射频接入接收机中，其解算结果输出至基于仿真平台的导航定位模块，该GNSS中频信号采集与回放模块包括：中频信号采集单元、中频信号数据库、射频信号回放单元以及接收机硬件在环处理单元，其中：中频信号采集单元与中频信号数据库相连并传输采集得到的GNSS中频信号信息，中频信号数据库存储中频信号与射频信号回放单元相连并传输所请求的中频信号，射频信号回放单元与接收机硬件在环处理单元相连并传输上变频的射频信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传感器仿真模块与设置与控制执行模块相连以设置实验中传感器的搭载种类、搭载数量与搭载的位置和角度以及传感器的精度水平，根据设置的仿真中小车的实时位置与运动状态将传感器的仿真输出值信息输出至基于仿真平台的导航定位模块，该传感器仿真模块包括：传感器精度水平设置单元、传感器噪声生成单元、传感器仿真数据输出单元，其中：传感器精度水平设置单元与传感器误差噪声生成单元相连并传输噪声水平参数信息，传感器噪声生成单元单元与传感器仿真数据输出单元相连并传输噪声误差信息，传感器仿真数据输出单元与导航定位模块相连并传输传感器仿真数据信息。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的传感器搭载种类包括IMU、GNSS和相机，搭载数量为IMU和GNSS接收机各为一个，相机为两个，搭载位置为设置GNSS与IMU的杆臂为采集实际值，左相机与IMU重合。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，在相机传感器仿真设置中，对于噪声源可以添加高斯模糊处理，能够添加镜头畸变；在对于IMU的仿真中可以考虑角度随机游走、零偏不稳定性和角速率随机游走等随机误差噪声源。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的基于Unreal引擎的仿真场景模块与设置与控制执行模块相连，搭建与GNSS回放轨迹一致的高逼真仿真场景，具体模型由三维高精度地图导入获得，仿真平台坐标与WGS坐标系存在一个投影坐标变换关系。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的基于仿真平台的导航定位模块与GNSS中频信号采集与回放模块和传感器仿真模块相连，根据待测试的内容自行选择不同的导航定位算法，使用传感器仿真模块和GNSS中频信号采集与回放模块的数据进行定位解算处理并输出解算定位结果至定位精度评定模块，该基于仿真平台的导航定位模块包括：数据坐标系预处理单元、滤波融合定位单元，其中：数据坐标系预处理单元与滤波融合定位单元相连并传输转换后的坐标信息，滤波融合定位单元与定位精度评定模块相连并传输融合定位结果；本实施例中的滤波融合定位单元采用基于联邦卡尔曼滤波的多传感器融合定位算法进行测试，在融合前需要通过数据坐标系预处理单元将坐标转换到WGS-系这个统一的参考坐标系下，具体转换关系可以表示为相机世界坐标系通过平移旋转到仿真平台坐标系在经过平移转换到投影坐标系下最后反投影至WGS坐标系下，最终输出解算定位结果至定位精度评定模块。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的定位精度评定模块与导航定位模块相连，将测试定位算法输出的定位结果与设定真值比较，将时间对齐后对每个历元的以真值为站心求解算结果在北东地方向上的误差，并作出北东地三向误差的时间序列图，通过平方和求解出三向总误差，并做出误差累积曲线图，从中得到误差统计结果，如输出均方根误差、平均误差及可用性等信息，构成从测试到评价的完整体系。
10.一种基于上述任一权利要求所述系统的导航仿真测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在设置与控制执行模块选择待测试场景与路段轨迹，生成平滑轨迹插值点，设置传感器的种类与误差噪声水平；
第二步、通过设置与控制执行模块开启GNSS中频信号采集与回放模块、传感器仿真模块以及基于Unreal引擎的仿真场景模块，显示仿真载体在场景中根据设定轨迹移动并输出GNSS硬件在环数据和仿真传感器数据；
第三步、使用基于仿真平台的导航定位模块接收GNSS硬件在环数据和仿真传感器输出，解算出导航定位结果；定位精度评定模块根据导航定位结果与设定轨迹值输出精度评定信息，以验证导航定位算法的有效性。
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