CN111538061B - 一种利用北斗导航定位的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用北斗定位导航的装置及方法，装置内置功能模块包括主控模块、定位与导航模块、语音识别与信息存储模块、通信与供电模块、语音导航模块和信号处理模块。接收用户语音导航需求指令后，定位与导航模块接收用户定位坐标并将位置信息传递给主控模块，信号处理模块接收主控模块传递来的定位坐标根据数据层地图数据构建导航路线，通信与供电模块将导航路线传递给主控模块后将导航路线通过语音导航模块传递给用户。本装置定位精度高、体积小、便于携带，导航算法可以计算用户所处地理位置及滚转、俯仰、偏航等姿态信息，通过动态调整更新用户所处地理位置及运动加速度等参数，能够提高定位系统导航装置及方法的精度和可靠性。

Description

一种利用北斗导航定位的装置及方法
技术领域
本发明涉及定位导航技术领域，尤其涉及一种利用北斗导航定位的装置及方法。
背景技术
随着我国社会与经济的持续发展，人民群众生活水平的不断提高，以及交通运输业的快速发展，我国私家轿车、营运车辆等机动车数量保持持续快速增长趋势。根据数据统计显示，2016年底全国机动车数量3.27亿辆，比上一年增加了1200万辆。机动车数量的增多，带来的各种社会问题也越来越多，车辆驾驶人员不遵守道路交通安全法的违法行为处处可见，如超速、随意变道、长时间占用超车道、应急车道、随意停车等，由此带来了交通拥堵以及造成各类交通事故的发生，给城市应急救援带来了极大困难，也给人民群众生命财产带来巨大的损失。基于这种现象和原因，有必要使用有效的技术手段，加强对营运车辆驾驶行为的管控，解决交通执法难题，提高管理效率。而目前市面上的车辆监控和导航类产品一般采用的是美国的GPS，单纯的GPS定位民用精度一般在十米级，难以满足一些高精度的位置应用，加上缺乏高精度的电子地图数据支持，严重制约着交通管理部门对车辆监管能力的提升，更加无法满足交通管理部门日益增长的对车辆精细化管理的需求。因此，对基于北斗的亚米级高精度车道级导航系统的研究是目前交通行业需求最为迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定位精度高、体积小、便于携带，导航软件稳定实用，界面设计人性化适用于政府、地质、军警等国家安全的行业的利用北斗导航定位的装置及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用北斗定位导航方法，所述方法包括以下步骤：
1)语音识别与信息存储模块用于接收用户语音导航需求指令，定位与导航模块接收用户定位坐标，并将位置信息传递给主控模块；
2)所述主控模块将所述位置信息通过通信与供电模块传递给信号处理模块，所述信号处理模块根据数据层地图数据构建导航路线；
3)所述信号处理模块将所述导航路线传递给所述主控模块；
4)所述主控模块将导航路线通过语音导航模块传递给用户，为用户进行路线导航；
所述定位与导航模块导航算法包括以下步骤：
S1：采用北斗定位模块测量北速度误差δvn、东速度误差δve、下速度误差δvd、横滚误差δΦ、俯仰误差δθ和偏航误差δψ；采用射频天线模块测量纬度误差
Figure GDA0002889299960000021
经度误差δλ、椭球高度误差δh；采用加速度传感器模块测量加速度偏差δbx、δby和δbz，以及陀螺偏差δdx、δdy和δdz；
S2：构建一阶高斯-马尔可夫的模型：
Figure GDA0002889299960000022
其中F是动态矩阵，δx是误差状态矢量，G是成形矩阵，u是白噪声矢量，
Figure GDA0002889299960000023
S3：构建定位模型：z＝Hδx+v，进行精确定位；
其中z为测量矢量，H为设计矩阵，δx是误差状态矢量，v为测量噪声矢量，
测量矢量z包含了从惯性导航系统机械化INS系统和全球导航卫星系统接收器GNSS估计的位置和速度之间的差异，公式如下：
Figure GDA0002889299960000024
其中，
Figure GDA0002889299960000025
是从被测用户框架到导航框架的方向余弦矩阵，VGNSS是全球导航卫星系统接收器GNSS模块提供的地面速度；
设计矩阵
Figure GDA0002889299960000026
其中I3×3是单位矩阵，0n×m是n×m的零矩阵。
进一步地，所述定位与导航模块通过所述北斗定位模块定位用户站心坐标参数，采用所述射频天线模块测量用户地理位置的经度参数、纬度参数及高度参数，采用所述加速度传感器模块测量用户的加速度参数及陀螺参数。
进一步地，所述步骤4)中音频处理模块将所述导航路线转化为音频信号，功率放大模块将所述音频信号放大，扬声器将所述放大的音频信号播放给用户。
本发明还提供了一种采用上述利用北斗定位导航方法的北斗定位导航装置，包括外壳、显示屏、前置摄像头、后置摄像头、USB接口、耳机插孔、内置功能模块、屏幕按键和内置天线，所述内置功能模块包括主控模块、定位与导航模块、语音识别与信息存储模块、通信与供电模块、语音导航模块和信号处理模块；所述定位与导航模块包括北斗定位模块、射频天线模块和加速度传感器模块。
进一步地，所述语音识别与信息存储模块包括语音识别模块与存储器模块。
进一步地，所述通信与供电模块包括电源模块与无线通信模块。
进一步地，所述语音导航模块包括音频处理模块、功率放大模块和扬声器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供的利用北斗定位导航的装置具有定位与通讯功能，采用电子地图为用户提供定位、导航、通讯、授时等功能，可广泛应用于人员、车辆等移动使用场景，为用户提供地图数据支持下的实时定位、路径规划、导航引导、短信息收发等服务，在提供导航功能的同时，还可以为位置监控与地理信息分析提供支撑，可极大提高系统的信息化保障能力。界面流畅清晰、操作简单。
2)北斗定位导航仪是利用北斗卫星导航系统进行定位导航的设备，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，具备航点、航线、航迹、面积采集编辑导航等功能，在特定场合和使用领域下可以代替GPS进行导航定位，其主要任务是确定用户在地球上的位置，确定用户的航向、航速，基于此可以进行多种信息处理与融合。
3)本申请提供的北斗定位导航装置定位精度高、体积小、便于携带，导航软件稳定实用，界面设计人性化。
4)本申请采用北斗定位模块采集用户的北速度误差δvn、东速度误差δve、下速度误差δvd、横滚误差δΦ、俯仰误差δθ和偏航误差δψ；采用射频天线模块采集用户的纬度误差
Figure GDA0002889299960000041
经度误差δλ、椭球高度误差δh；采用加速度传感器模块采集用户的加速度偏差δbx、δby和δbz，以及陀螺偏差δdx、δdy和δdz，计算用户所处地理位置及滚转、俯仰、偏航等姿态信息，通过构建一阶高斯-马尔可夫的动态模型，能够动态调整更新用户所处地理位置及运动加速度等参数，并通过构建定位模型，通过惯性导航系统机械化INS系统和全球导航卫星系统接收器GNSS估计的位置和速度之间的差异计算，能够提高定位系统导航装置及方法的精度和可靠性。
附图说明
图1为本发明利用北斗定位导航方法流程图；
图2为本发明利用北斗定位导航方法中的定位与导航模块导航算法流程示意图；
图3为本发明利用北斗定位导航的装置外部结构示意图；
图4为本发明利用北斗定位导航的装置内置功能模块示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1所示，为本发明提供的一种利用北斗定位导航方法，包括以下步骤：
1)语音识别与信息存储模块6-3用于接收用户语音导航需求指令，定位与导航模块6-2接收用户定位坐标，定位与导航模块6-2通过北斗定位模块6-21定位用户站心坐标参数，测量北速度误差δvn、东速度误差δve、下速度误差δvd、横滚误差δΦ、俯仰误差δθ和偏航误差δψ；定位与导航模块6-2采用射频天线模块6-22测量用户地理位置的经度参数、纬度参数及高度参数，具体为纬度误差
Figure GDA0002889299960000042
经度误差δλ、椭球高度误差δh；定位与导航模块6-2采用加速度传感器模块6-23测量用户的加速度参数及陀螺参数，并将位置信息传递给主控模块6-1；
2)主控模块6-1将位置信息通过通信与供电模块6-4传递给信号处理模块6-6，信号处理模块6-6根据数据层地图数据构建导航路线；
3)信号处理模块6-6将导航路线传递给主控模块6-1；
4)主控模块6-1将导航路线通过语音导航模块6-5传递给用户，为用户进行路线导航，利用北斗导航定位的装置通过音频处理模块6-51将路线信号转化为音频信号，通过功率放大模块6-52将音频信号放大，并最终通过扬声器6-53播放给用户。
如图2所示，其中，北斗定位导航装置中的定位与导航模块导航算法包括以下步骤：
S1：采用北斗定位模块6-21测量北速度误差δvn、东速度误差δve、下速度误差δvd、横滚误差δΦ、俯仰误差δθ和偏航误差δψ；采用射频天线模块6-22测量纬度误差
Figure GDA0002889299960000051
经度误差δλ、椭球高度误差δh；采用加速度传感器模块(6-23)测量加速度偏差δbx、δby和δbz，以及陀螺偏差δdx、δdy和δdz；
S2：构建一阶高斯-马尔可夫的模型：
Figure GDA0002889299960000052
其中F是动态矩阵，δx是误差状态矢量，G是成形矩阵，u是白噪声矢量，
Figure GDA0002889299960000053
S3：构建定位模型：z＝Hδx+v，进行精确定位；
其中z为测量矢量，H为设计矩阵，δx是误差状态矢量，v为测量噪声矢量，
测量矢量z包含了从惯性导航系统机械化INS系统和全球导航卫星系统接收器GNSS估计的位置和速度之间的差异，公式如下：
Figure GDA0002889299960000054
其中，
Figure GDA0002889299960000055
是从被测用户框架到导航框架的方向余弦矩阵，VGNSS是全球导航卫星系统接收器GNSS模块提供的地面速度；
设计矩阵
Figure GDA0002889299960000061
其中I3×3是单位矩阵，0n×m是n×m的零矩阵。
通过定位与导航模块导航算法可以计算用户所处地理位置及滚转、俯仰、偏航等姿态信息，通过构建一阶高斯-马尔可夫的动态模型，能够动态调整更新用户所处地理位置及运动加速度等参数，并通过构建定位模型，通过惯性导航系统机械化INS系统和全球导航卫星系统接收器GNSS估计的位置和速度之间的差异计算，能够提高定位系统导航装置及方法的精度和可靠性。
如图3-图4所示，为本发明提供的一种利用上述北斗定位导航方法的北斗定位导航装置，包括外壳1、显示屏2、前置摄像头3、后置摄像头、USB接口4、耳机插孔5、内置功能模块6、屏幕按键7和内置天线8，内置功能模块6包括主控模块6-1、定位与导航模块6-2、语音识别与信息存储模块6-3、通信与供电模块6-4、语音导航模块6-5和信号处理模块6-6。
其中，定位与导航模块6-2包括北斗定位模块6-21、射频天线模块6-22和加速度传感器模块6-23，语音识别与信息存储模块6-3包括语音识别模块6-31与存储器模块6-32，通信与供电模块6-4包括电源模块6-41与无线通信模块6-42。语音导航模块6-5包括音频处理模块6-51、功率放大模块6-52和扬声器6-53。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用北斗定位导航方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)语音识别与信息存储模块(6-3)用于接收用户语音导航需求指令，定位与导航模块(6-2)接收用户定位坐标，并将位置信息传递给主控模块(6-1)；
2)所述主控模块(6-1)将所述位置信息通过通信与供电模块(6-4)传递给信号处理模块(6-6)，所述信号处理模块(6-6)根据数据层地图数据构建导航路线；
3)所述信号处理模块(6-6)将所述导航路线传递给所述主控模块(6-1)；
4)所述主控模块(6-1)将导航路线通过语音导航模块(6-5)传递给用户，为用户进行路线导航；
所述定位与导航模块(6-2)导航算法包括以下步骤：
S1：采用北斗定位模块(6-21)测量北速度误差δvn、东速度误差δve、下速度误差δvd、横滚误差δΦ、俯仰误差δθ和偏航误差δψ；采用射频天线模块(6-22)测量纬度误差
Figure FDA0002491481140000013
经度误差δλ、椭球高度误差δh；采用加速度传感器模块(6-23)测量加速度偏差δbx、δby和δbz，以及陀螺偏差δdx、δdy和δdz；
S2：构建一阶高斯-马尔可夫的模型：
Figure FDA0002491481140000014
其中F是动态矩阵，δx是误差状态矢量，G是成形矩阵，u是白噪声矢量，
Figure FDA0002491481140000015
S3：构建定位模型：z＝Hδx+v，进行精确定位；
其中z为测量矢量，H为设计矩阵，δx是误差状态矢量，v为测量噪声矢量，
测量矢量z包含了从惯性导航系统机械化INS系统和全球导航卫星系统接收器GNSS估计的位置和速度之间的差异，公式如下：
Figure FDA0002491481140000011
其中，
Figure FDA0002491481140000012
是从被测用户框架到导航框架的方向余弦矩阵，VGNSS是全球导航卫星系统接收器GNSS模块提供的地面速度；
设计矩阵
Figure FDA0002491481140000021
其中I3×3是单位矩阵，0n×m是n×m的零矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种利用北斗定位导航方法，其特征在于，所述定位与导航模块(6-2)采用所述北斗定位模块(6-21)定位用户站心坐标参数，采用所述射频天线模块(6-22)测量用户地理位置的经度参数、纬度参数及高度参数，采用所述加速度传感器模块(6-23)测量用户的加速度参数及陀螺参数。
3.根据权利要求1所述的一种利用北斗定位导航方法，其特征在于，所述步骤4)中音频处理模块(6-51)将所述导航路线转化为音频信号，功率放大模块(6-52)将所述音频信号放大，扬声器(6-53)将所述放大的音频信号播放给用户。
4.一种采用如权利要求1-3任一所述的利用北斗定位导航方法的北斗定位导航装置，包括外壳(1)、显示屏(2)、前置摄像头(3)、后置摄像头、USB接口(4)、耳机插孔(5)、内置功能模块(6)、屏幕按键(7)和内置天线(8)，其特征在于，所述内置功能模块(6)包括主控模块(6-1)、定位与导航模块(6-2)、语音识别与信息存储模块(6-3)、通信与供电模块(6-4)、语音导航模块(6-5)和信号处理模块(6-6)；所述定位与导航模块(6-2)包括北斗定位模块(6-21)、射频天线模块(6-22)和加速度传感器模块(6-23)。
5.根据权利要求4所述的北斗定位导航装置，其特征在于，所述语音识别与信息存储模块(6-3)包括语音识别模块(6-31)与存储器模块(6-32)。
6.根据权利要求4所述的北斗定位导航装置，其特征在于，所述通信与供电模块(6-4)包括电源模块(6-41)与无线通信模块(6-42)。
7.根据权利要求4所述的北斗定位导航装置，其特征在于，所述语音导航模块(6-5)包括音频处理模块(6-51)、功率放大模块(6-52)和扬声器(6-53)。
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Denomination of invention: A device and method for navigation and positioning using Beidou

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