CN111504311A - 多传感器融合实时定位导航装置及方法 - Google Patents

多传感器融合实时定位导航装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种多传感器融合实时定位导航装置及方法，所述装置包括单点卫星定位接收机阵列、惯性测量组件和处理器，所述单点卫星定位接收机阵列包括多个单点卫星定位接收机，所述单点卫星定位接收机的天线设置于所述单点卫星定位接收机的中点处，所述多个单点卫星定位接收机与惯性测量组件并行连接至所述处理器。本发明实施例利用多个单点卫星接收机，能有效地减轻单点卫星接收机存在的误差，利用卫星定位系统下发的卫星定位信号，配合惯性测量组件的坐标信息融合计算能显著的提高定位精度。

Description

多传感器融合实时定位导航装置及方法
技术领域
本发明涉及高精度卫星导航定位领域，具体涉及一种多传感器融合实时定位导航装置及方法。
背景技术
卫星定位导航系统主要包括全球定位系统(Global Positioning System，以下简称GPS)、北斗、全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，以下简称GNSS)、伽利略等，随着卫星定位技术的快速发展，人们对快速高精度位置信息的要求日益强烈。目前高精度实时卫星定位导航的应用范围越来越广，5G和自动驾驶领域的快速发展给高精度定位带来了新的应用场景，但是对于定位精度的要求达到了分米级甚至厘米级。
单点卫星定位的误差很难达到10米以下，无法满足高精度定位的需求。为了获得更高的定位精度，现有技术中采用差分卫星定位技术来实现，但是该技术必须依靠基准站通过数据连续发送修正量才能显著提高定位精度，成本太高并且需要联网，不利于高精度卫星定位导航的大规模应用推广。
因此，如何实现多传感器融合实时定位导航，提高实时定位精度，同时降低成本，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种多传感器融合实时定位导航装置及方法。
第一方面，本发明实施例提供一种多传感器融合实时定位导航装置，包括单点卫星定位接收机阵列、惯性测量组件和处理器，所述单点卫星定位接收机阵列包括多个单点卫星定位接收机，所述单点卫星定位接收机的天线设置于所述单点卫星定位接收机的中点处，所述多个单点卫星定位接收机与惯性测量组件并行连接至所述处理器。
可选地，所述多个单点卫星定位接收机在同一直线上等间距分布，且都与所述处理器并行连接。
可选地，所述惯性测量组件设置于所述单点卫星定位接收机阵列的中心处。
可选地，所述多个单点卫星定位接收机至少包括5个单点卫星定位接收机，时钟保持同步且型号一致。
第二方面，本发明实施例提供一种基于第一方面任一所述多传感器融合实时定位导航装置的多传感器融合实时定位导航方法，包括：
所述处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；
接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；
根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；
基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；
将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
可选地，所述方法还包括：
若所述第一坐标信息未输出，则将所述第二坐标信息作为目标的最终高精度坐标信息。
可选地，所述接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息，具体包括：
基于第一坐标信息的更新空窗期，接收更高频率的所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息。
可选地，所述根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线，具体包括：
根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值，拟合计算出一条直线，用于减轻各个单点卫星定位接收机的观测坐标值的误差。
第三方面本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以上第二方面任一项所述的多传感器融合实时定位导航方法的步骤。
第四方面本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以上第二方面任一项所述的多传感器融合实时定位导航方法的步骤。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航装置，该装置中，利用多个单点卫星接收机，能有效地减轻单点卫星接收机存在的三部分误差(测站和接收机有关的误差，与卫星有关的误差，与传播路径有关的误差)，利用卫星定位系统下发的卫星定位信号，配合惯性测量组件IMU的坐标信息融合计算就能显著的提高定位精度。不依靠基准站来提高定位精度，省去了基准站、地面增强系统以及数据链路的建设和使用成本，同时工作范围没有局限。在卫星导航系统失效的情况下也能正常工作，可以在隧道、高架桥、林荫路等卫星信号不好的地方也能保证一定精度的定位信息输出。该装置具有精度高、成本低廉、可靠性强、使用简单等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多传感器融合实时定位导航装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的单点卫星定位接收机阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多传感器融合实时定位导航方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的又一多传感器融合实时定位导航方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种多传感器融合实时定位导航装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括单点卫星定位接收机阵列、惯性测量组件(Inertial MeasurementUnit，以下简称IMU)和处理器，所述直线单点卫星定位接收机阵列包括多个单点卫星定位接收机，如单点卫星定位接收机A、B、C、D和E，所述单点卫星定位接收机的天线设置于所述单点卫星定位接收机的中点处，所述多个单点卫星定位接收机与惯性测量组件并行连接至所述处理器。
具体地，多传感器融合实时定位导航装置包括单点卫星定位接收机阵列、惯性测量组件IMU和处理器，所述直线单点卫星定位接收机阵列包括多个单点卫星定位接收机，如单点卫星定位接收机A、B、C、D和E，分别与IMU并行连接至所述处理器，以使所述处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；接收所述惯性测量组件发送的目标的IMU定位信息；可以将接收机和IMU发送的数据进行解析并融合计算，输出最终的定位坐标，各个接收机的天线相对空间位置是确定的，设置于所述单点卫星定位接收机的中点处，是已知的参数。各个接收机测量得到的观测坐标，由于单点接收机存在观测误差，各个接受机观测到的坐标值和实际存在偏差，并不会在同一条直线上，所述处理器进行拟合可以将各个接收机的误差进行中和，得到一个较为真实的坐标。配合IMU，可以利用卡尔曼滤波工具进行融合来提高最终定位精度。另外，在隧道、林荫路、高架桥等卫星信号不好的地方也能接通IMU传感器实现一定精度的坐标输出，可以在高精度实时定位导航的普通民用领域大规模应用推广。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航装置，该装置中，利用多个单点卫星接收机，能有效地减轻单点卫星接收机存在的三部分误差如测站和接收机有关的误差、与卫星有关的误差和传播路径有关的误差，利用卫星定位系统下发的卫星定位信号，配合IMU的坐标信息融合计算就能显著的提高定位精度。不依靠基准站来提高定位精度，省去了基准站、地面增强系统以及数据链路的建设和使用成本，同时工作范围没有局限。在卫星导航系统失效的情况下也能正常工作，可以在隧道、高架桥、林荫路等卫星信号不好的地方也能保证一定精度的定位信息输出。该装置具有精度高、成本低廉、可靠性强、使用简单等特点。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述多个单点卫星定位接收机在同一直线上等间距分布，且都与所述处理器并行连接。
具体地，图2是本发明实施例提供的单点卫星定位接收机阵列的结构示意图，如图2所示，以5个单点卫星定位接收机A、B、C、D和E为例，五个单点卫星定位接收机在同一直线上等间距分布，且都与所述处理器并行连接，采用并行排布可以保证接收机的数据同步。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航装置，该装置中，通过多个单点卫星定位接收机在同一直线上等间距分布，且都与所述处理器并行连接，保证了接收机阵列排布精度高和接收机的数据同步。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述惯性测量组件设置于所述单点卫星定位接收机阵列的中心处。
具体地，惯性测量组件设置于所述单点卫星定位接收机阵列的中心处，使得接收机阵列与IMU的排布精度高。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航装置，该装置中，通过惯性测量组件设置于所述单点卫星定位接收机阵列的中心处，能够使得接收机阵列与IMU的排布精度高。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述多个单点卫星定位接收机至少包括5个单点卫星定位接收机，时钟保持同步且型号一致。
具体地，多个单点卫星定位接收机至少包括5个单点卫星定位接收机，时钟保持同步且型号一致，能有效地减轻单点卫星接收机存在的误差，同时可以保证接收机的数据同步。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航装置，该装置中，通过多个单点卫星定位接收机至少包括5个单点卫星定位接收机，时钟保持同步且型号一致有效地减轻单点卫星接收机存在的误差，同时可以保证接收机的数据同步。
图3为本发明实施例提供的多传感器融合实时定位导航方法的流程示意图，如图3所示，包括：
S101：所述处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；
S102：接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；
S103：根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；
S104：基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；
S105：将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
其中，所述观测坐标值为利用卫星定位系统下发的卫星定位信号得到的观测坐标值。
所述第二坐标信息为IMU定位坐标信息。
具体地，图4为本发明实施例提供的又一多传感器融合实时定位导航方法的流程示意图，如图4所示，处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器计算最终高精度坐标信息，再获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航方法，该方法中，通过利用多个单点卫星接收机，能有效地减轻单点卫星接收机存在的误差，利用卫星定位系统下发的卫星定位信号，配合IMU的坐标信息融合计算就能显著的提高定位精度。不依靠基准站来提高定位精度，省去了基准站、地面增强系统以及数据链路的建设和使用成本，同时工作范围没有局限。在卫星导航系统失效的情况下也能正常工作，可以在隧道、高架桥、林荫路等卫星信号不好的地方也能保证一定精度的定位信息输出。该装置具有精度高、成本低廉、可靠性强、使用简单等特点。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述方法还包括：
若所述第一坐标信息未输出，则将所述第二坐标信息作为目标的最终高精度坐标信息。
具体地，GNSS定位数据即利用卫星定位系统下发的卫星定位信号得到的观测坐标值，若不存在GNSS定位数据，即第一坐标信息未输出，则将所述第二坐标信息作为目标的最终高精度坐标信息。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航方法，该方法中，通过若所述第一坐标信息未输出，则将所述第二坐标信息作为目标的最终高精度坐标信息，能够在卫星定位信息缺失的情况下也能实时提供一定精度的定位信息输出。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息，具体包括：
基于第一坐标信息的更新空窗期，接收更高频率的所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息。
具体地，惯性测量组件利用第一坐标信息的更新空窗期，能够接收更高频率的所述惯性测量组件发送的目标的IMU定位信息。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航方法，该方法中，通过基于第一坐标信息的更新空窗期，接收更高频率的所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息，能够使得IMU定位信息实时性更好，同时也更加准确。
进一步地，在上述发明实施例的基础上，所述根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线，具体包括：
根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值，拟合计算出一条直线，用于减轻各个单点卫星定位接收机的观测坐标值的误差。
具体地，由于各个接收机的天线相对空间位置是确定的，并且是已知的参数。各个接收机测量得到的观测坐标，由于单点接收机存在误差，各个接受机观测到的坐标值和实际存在偏差，并不会在同一条直线上，进行拟合可以将各个接收机的误差进行中和，得到一个较为真实的坐标。
本发明实施例提供了多传感器融合实时定位导航方法，该方法中，通过根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值，将观测坐标值误差进行中和，拟合计算出一条直线，能够得到一个更加反映真实位置的坐标信息。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(Processor)501、存储器(Memory)502、通信接口(Communications Interface)503和通信总线504，其中，处理器501，存储器502，通信接口503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器502中的逻辑指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
此外，上述的存储器502中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例还提供非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多传感器融合实时定位导航装置，其特征在于，包括单点卫星定位接收机阵列、惯性测量组件和处理器，所述单点卫星定位接收机阵列包括多个单点卫星定位接收机，所述单点卫星定位接收机的天线设置于所述单点卫星定位接收机的中点处，所述多个单点卫星定位接收机与惯性测量组件并行连接至所述处理器。
2.根据权利要求1所述的多传感器融合实时定位导航装置，其特征在于，所述多个单点卫星定位接收机在同一直线上等间距分布，且都与所述处理器并行连接。
3.根据权利要求1或2所述的多传感器融合实时定位导航装置，其特征在于，所述惯性测量组件设置于所述单点卫星定位接收机阵列的中心处。
4.根据权利要求1所述的多传感器融合实时定位导航装置，其特征在于，所述多个单点卫星定位接收机至少包括5个单点卫星定位接收机，时钟保持同步且型号一致。
5.一种基于权利要求1至4任一所述多传感器融合实时定位导航装置的多传感器融合实时定位导航方法，其特征在于，包括：
所述处理器获取所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值；
接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息；
根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线；
基于所述直线确定所述观测坐标值的分布线段，并将所述分布线段的中点作为目标的第一坐标信息；
将所述第一坐标信息和所述第二坐标信息输入卡尔曼滤波器，获取所述卡尔曼滤波器输出的最终高精度坐标信息。
6.根据权利要求5所述的多传感器融合实时定位导航方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述第一坐标信息未输出，则将所述第二坐标信息作为目标的最终高精度坐标信息。
7.根据权利要求5所述的多传感器融合实时定位导航方法，其特征在于，所述接收所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息，具体包括：
基于第一坐标信息的更新空窗期，接收更高频率的所述惯性测量组件发送的目标的第二坐标信息。
8.根据权利要求5所述的多传感器融合实时定位导航方法，其特征在于，所述根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值拟合计算出一条直线，具体包括：
根据所述多个单点卫星定位接收机各自的身份信息和观测坐标值，拟合计算出一条直线，用于减轻各个单点卫星定位接收机的观测坐标值的误差。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求5-8任一项所述方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5-8任一项所述方法的步骤。
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