CN110987023B

CN110987023B - 一种惯性导航动态对准方法

Info

Publication number: CN110987023B
Application number: CN201911367098.3A
Authority: CN
Inventors: 邱伟; 陈锐; 陈剑波
Original assignee: Chengdu Luxingtong Information Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Luxingtong Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN110987023A

Abstract

本发明公开了一种惯性导航动态对准方法。包括相互独立的位置对准步骤和航向对准步骤，位置对准步骤包括：在惯性导航经纬度位置与GPS经纬度位置的距离达到第一距离阈值时，或者GPS的水平精度因子HDOP低于第一精度阈值，且HDOP无明显波动条件时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。航向对准步骤包括：在惯性导航航向与GPS航向间的航偏角误差达到第一角度阈值时，将惯性导航航向设置为GPS航向；在航偏角误差小于第一角度阈值时，基于航偏角误差的方差与对应的对准规则执行相应的对准步骤。本发明在位置或航向需要对准时即自动对准，对准及时性高，所设计的分级对准规则，可以防止因对准条件的突变而导致对准精度的降低。

Description

一种惯性导航动态对准方法

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其是一种可进行多次对准的惯性导航动态对准方法。

背景技术

惯性导航系统(INS，以下简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

惯导系统有如下优点：1、由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响；2、可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；3、能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；4、数据更新率高、短期精度和稳定性好。

但是，惯导系统在运行过程中，加速度传感器、角速度传感器由于存在零漂和温漂，计算出的位置信息随时间推移误差变大,当设备进入定位盲区时惯性导航已经存在了较大误差。因此，通常会定期对惯导系统的数据进行对准。

现有的对准方法大致为两种，一种为同时考虑位置和方向，即希望一次性将惯导系统对准。此种条件下设置的对准条件过于苛刻，容易错过应当对准的时间点，对于误差的修正效果较差。另一种为定时对惯导系统进行对准，该种方式无法确保对准的及时性，尤其无法确保进入对准盲区前对惯导系统的对准，使得进入定位盲区后惯导系统存在较大的误差。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种惯性导航动态对准方法。以从位置和航向两个维度分别对惯性导航进行对准，进而解决对准及时性，尤其是进入定位盲区前及时对准的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种惯性导航动态对准方法，包括相互独立的位置对准步骤和航向对准步骤；其中：

在车速达到第一速度阈值时，执行位置对准步骤；

在惯性导航和GPS航向均为直线行驶时，执行航向对准步骤。

将位置对准和航向对准并行设计，在满足其一的条件下即执行对应的对准步骤，将对准分为位置和航向两个维度，设计了较为宽松的对准条件，分别从位置和航向两个方向对惯导系统进行对准，对准及时性高，可以在车辆行驶过程中动态对惯导系统进行对准，确保在进入定位盲区前可以对惯导系统进行准确的对准行为。

进一步的，所述位置对准步骤包括：

计算惯性导航经纬度位置与GPS经纬度位置的距离，在距离达到第一距离阈值时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度；

或者，计算GPS的水平精度因子HDOP，在HDOP低于第一精度阈值，且HDOP满足无明显波动条件时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。

进一步的，所述无明显波动条件为：HDOP的标准差在第二精度阈值以内。

进一步的，计算所述HDOP的标准差，为以1秒的时间间隔采集5组HDOP进行的计算。

设计为采集5组数据，一方面是确保对准精度，另一方面为确保对准的及时性。

进一步的，所述航向对准步骤包括：

计算惯性导航航向与GPS航向间的航偏角误差；

在航偏角误差达到第一角度阈值时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

在航偏角误差小于第一角度阈值时，基于航偏角误差的方差与对应的对准规则执行相应的对准步骤。

进一步的，所述航偏角误差的方差与对应的对准规则包括：

高精度对准：当惯性导航航偏角误差方差小于第一航偏角阈值时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

中精度对准：当惯性导航航偏角误差方差位于第一航偏角阈值和第二航偏角阈值之间时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

低精度对准：当惯性导航航偏角误差方差位于第二航偏角阈值和第三航偏角阈值之间时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

其中，第一航偏角阈值、第二航偏角阈值和第三航偏角阈值依次增大；

在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，不允许执行更低精度的对准规则。

在进行更高进度对准时，禁止进行更低精度的对准，是防止误差的突变导致对准效果从更高精度降到更低精度，这样，可以确保对准效果的准确性。

进一步的，所述航偏角误差的方差与对应的对准规则还包括：在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，允许执行更高精度的对准规则。即在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，若满足更高等级的对准规则，则执行该更高等级的对准规则。这样，可以在满足更高进度对准的条件下，自动进行更高精度的对准。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的动态对准方法，在车辆行驶过程中多次对准位置和航向，所设计的对准规则在位置或航向需要对准时即自动对准，对准及时性高。可确保在进入定位盲区时将惯导系统的误差降到最低。

2、本发明中航向对准的分级对准规则，可以防止因对准条件的突变(降低)而导致对准精度的降低。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是惯性导航动态对准方法的流程图。

图2、3分别是运用本发明惯性导航动态对准方法的两个实施例的航迹图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种惯性导航动态对准方法，包括相互队里的位置对准步骤和航向对住步骤；其中：

A.在车速达到第一速度阈值时，执行位置对准步骤：

A1.计算惯性导航经纬度位置与GPS经纬度位置的距离，在距离达到第一距离阈值时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。

A2.计算GPS的水平精度因子HDOP，在HDOP低于第一精度阈值，且HDOP满足无明显波动条件时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。

其中，判断HDOP是否波动是否明显的方法为：判断HDOP的标准差是否第二精度阈值以内。在一个实施例中，以1秒的时间间隔采集5组HDOP，计算对应的HDOP的标准差。

步骤A中的两种判别(A1和A2)为满足其一即执行对应的对准步骤。

B.在惯性导航和GPS航向均为直线行驶时，执行航向对准步骤：

B1.计算惯性导航航向与GPS航向间的航偏角误差；

B11.在航偏角误差达到10°时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

B12.在航偏角误差小于10°时，基于航偏角误差的方差与对应的对准规则执行相应的对准步骤。

其中，航偏角误差的方差与对应的对准规则包括：

在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，不允许执行更低精度的对准规则。但是可以执行更高精度的对准规则。如不允许从中精度对准执行低精度对准，但是允许从中精度对准执行高精度对准。

实施例二

本实施例公开了一种惯性导航动态对准方法，包括并行的位置对准步骤和航向对准步骤，即两个步骤相互独立，各自运行，其中：

位置对准步骤包括：

获取车辆速度，在车速达到30Km/h时，执行以下操作：

计算惯性导航经纬度位置与GPS经纬度位置的距离，在距离达到20m时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度(即将惯性导航的经纬度替换为GPS的经纬度)。

计算GPS的水平精度因子HDOP，在HDOP低于5，且HDOP无明显波动时，将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。

上述两个计算过程同样相互独立，即满足其中一个条件即将惯性导航的经纬度设置为GPS的经纬度。这是为了在进入定位盲区前将惯性导航的位置进行对准，以确保进入定位盲区后惯性导航的位置准确无误。

上述过程中，两点位的经纬度位置间的距离计算方法为：

设R为地球半径，rad_lat1、rad_lat2分别为两个点位的纬度，a为两个点位的纬度差，b为两个点位的经度差，则距离D的计算方法为：

对于HDOP的波动是否明显，在设备判断上，可通过标准差与对应阈值的关系来判断是否属于明显波动。具体方法包括：

对一段时间内GPS的HDOP(通过定义计算得出)进行采样，并计算标准差S，以标准差与对应阈值间的大小关系，来衡量波动是否明显。

在一个实施例中，以1秒的间隔采集5个GPS数据的HDOP作为判断节点。

在HDOP标准差S1大于0.5时，则认为HDOP发生明显拨动。

航向对准步骤包括：

分别实时计算惯性导航和GPS的航向，在惯性导航和GPS均为直线行驶时，执行以下步骤：

当惯性导航与GPS间的航偏角误差达到(大于或等于)10°时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

当惯性导航和GPS间的航偏角误差小于10°时，以以下规则执行航向对准：

高精度对准：当惯性导航航偏角误差方差小于0.5时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

中精度对准：当惯性导航航偏角误差方差位于0.5～0.7时，将惯性导航航向设置为GPS航向；

低精度对准：当惯性导航航偏角误差方差位于0.7～1时，将惯性导航航向设置为GPS航向。

需要说明的是，在执行某个等级的对准规则时，在一定时间内(如1分钟内)，不允许执行更低精度的规则。可以执行更高精度的对准规则。例如，在执行中精度对准时，一定时间内，若满足高精度对准条件，则执行高精度对准，若在此时间内，满足低精度对准条件，则不允许执行低精度对准，直至该段时间结束为止再行判断。

设置3个等级的对准规则，是因为在进入导航盲区前，防止因航偏角误差从低方差值突变到高方差值而执行更低精度的对准步骤，使得原本的高精度航向对准值被替换为更低精度的对准值。即在航偏角误差方差小时，GPS的航向较航偏角误差方差大时更准确，若将在航偏角误差方差小时的GPS航向替换为航偏角误差方差大时的GPS航向，则增大了航向误差，因此，需要规避该种情况。

对于HDOP、惯性导航航向和GPS航向间的航偏角误差而言，均值和对应方差的计算均为：

式中，a1、a2…an分别为各采样值，n为采样数量。标准差通过方差计算。

实施例三

本实施例公开了上述实施例中数据的获取方法。上述实施例中，通过车载设备获取对应的车速和航向。具体而言，通过加速度传感器值的积分获得速度，通过角速度传感器值的积分获得航偏角，通过OBD即获取GPS的数据。

实施例四

本实施例以京昆高速中的导航轨迹来验证本发明的对准效果。

如图2所示，以铁寨子隧道群为例，→部分为GPS导航线路，带○的→部分为通过本发明的动态对准方法后，惯性导航的导航线路。如图3所示，以一条无名隧道为例，→部分为GPS导航线路，带○的→部分为通过本发明的动态对准方法后，惯性导航的导航线路。

由此可见，运用本发明的动态对准方法后，在定位盲区，惯性导航与车辆实际行驶路线无论在位置上还是航向上，都几乎没有偏差。而传统的对准方式，是定时对准或基于其他条件的对准，在进入定位盲区前，很难确保惯性导航的位置和航向均进行了较高精度的对准，因此，很难确保在进入定位盲区后的导航精度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种惯性导航动态对准方法，其特征在于，包括相互独立的位置对准步骤和航向对准步骤；其中：

在车速达到第一速度阈值时，执行位置对准步骤；

在惯性导航和GPS航向均为直线行驶时，执行航向对准步骤；

所述航向对准步骤包括：

计算惯性导航航向与GPS航向间的航偏角误差；

在航偏角误差小于第一角度阈值时，基于航偏角误差的方差与对应的对准规则执行相应的对准步骤；

所述航偏角误差的方差与对应的对准规则包括：

其中，第一航偏角阈值、第二航偏角阈值和第三航偏角阈值依次增大；在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，不允许执行更低精度的对准规则。

2.如权利要求1所述的惯性导航动态对准方法，其特征在于，所述位置对准步骤包括：

3.如权利要求2所述的惯性导航动态对准方法，其特征在于，所述无明显波动条件为：HDOP的标准差在第二精度阈值以内。

4.如权利要求3所述的惯性导航动态对准方法，其特征在于，计算所述HDOP的标准差，为以1秒的时间间隔采集5组HDOP进行的计算。

5.如权利要求1所述的惯性导航动态对准方法，其特征在于，所述航偏角误差的方差与对应的对准规则还包括：在执行某个等级的对准规则时，在第一时间区间内，允许执行更高精度的对准规则。