CN112630812A - 一种多源导航定位的方法 - Google Patents

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CN112630812A CN202011382006.1A CN202011382006A CN112630812A CN 112630812 A CN112630812 A CN 112630812A CN 202011382006 A CN202011382006 A CN 202011382006A CN 112630812 A CN112630812 A CN 112630812A
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Abstract

本申请公开了一种多源导航定位的方法，应用于多源导航芯片，所述多源导航芯片包括卫星导航基带处理器以及多源导航处理器，用于接收卫星发送的卫星导航信号、惯性导航器件发送的惯性数据以及无线电高度表发送的高度数据，该方法包括：卫星导航基带处理器接收卫星导航信号，并对卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将卫星定位数据发送给多源导航处理器；多源导航处理器接收卫星定位数据、惯性数据以及高度数据，对卫星定位数据、惯性数据以及高度数据进行融合得到定位数据，根据定位数据进行导航定位。本申请解决了现有技术中多源导航信息处理方案不适用于集成化的多源导航芯片的技术问题。

Description

一种多源导航定位的方法
技术领域
本申请涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种多源导航定位的方法。
背景技术
现代无人机、航空炸弹等飞行器在高空飞行阶段动态很大而低空飞行阶段容易受到飞行器姿态变化以及周围环境的干扰，无法保持全航程的高精度定位；同时，现代飞行器对导航定位设备的体积要求越来越小。常规的卫星导航虽然能提供高精度的定位结果，但是无线信号容易受到干扰而不可靠，惯性导航虽然不依赖外部信源，但是存在大的累积误差，无线电高度表通常仅用在低空范围的高度探测。因此，仅靠单一的导航源，很难满足该类飞行器导航定位的要求。多源导航技术能够通过多种导航数据的融合提供可靠的导航定位结果，使系统自动化程度、精度和可靠性大为提高。多源信息融合集成导航已成为导航技术发展的必然趋势。
目前，多源导航可依赖的导航源有GNSS卫星、惯性导航、无线电高度表等各种外部传感器。各导航方式通常是各自独立的系统，普通多源导航系统在进行导航定位时复杂、体积庞大、可靠性低，无法用于无人机等对导航定位设备体积要求严格的场合。故技术人员研究一种集成化的多源导航芯片，将多种导航源的信息进行集中处理，能够大大减小多源导航系统的体积和系统复杂度。但是，现有的多源导航信息处理方案融合程度低，不能适用于集成化的多源导航芯片，如何通过该集成化的多源导航芯片将多源导航信息进行集中处理成为亟待解决的问题。
发明内容
本申请解决的技术问题是：针对现有技术中多源导航信息处理方案不适用于集成化的多源导航芯片的情况，本申请提供了一种多源导航定位的方法，本申请实施例所提供的方案中，通过卫星导航基带处理器接收卫星发送的卫星导航信号，并对卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给多源导航处理器；以及通过多源导航处理器接收卫星定位数据、惯性导航器件输出的惯性数据以及无线电高度表的高度数据，对卫星定位数据、惯性数据以及高度数据进行融合得到定位数据，根据定位数据进行导航定位。因此，本申请实施例提供了一种多源导航芯片将多源导航信息进行集中处理的方案，解决了现有技术中的多源导航信息处理方案不适用于集成化的多源导航芯片的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种多源导航定位的方法，应用于多源导航芯片，所述多源导航芯片包括卫星导航基带处理器以及多源导航处理器，用于接收卫星发送的卫星导航信号、惯性导航器件发送的惯性数据以及无线电高度表发送的高度数据，该方法包括：
所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，并对所述卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给所述多源导航处理器；
所述多源导航处理器接收所述卫星定位数据、所述惯性导航器件输出的惯性数据以及所述无线电高度表输出的高度数据，对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述高度数据进行融合得到定位数据，根据所述定位数据进行导航定位。
本申请实施例所提供的方案中，通过卫星导航基带处理器接收卫星发送的卫星导航信号，并对卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给多源导航处理器；以及通过多源导航处理器接收卫星定位数据、惯性导航器件输出的惯性数据以及无线电高度表输出的高度数据，对卫星定位数据、惯性数据以及高度数据进行融合得到定位数据，根据定位数据进行导航定位。因此，本申请实施例提供了一种多源导航芯片将多源导航信息进行集中处理的方案，解决了现有技术中的多源导航信息处理方案不适用于集成化的多源导航芯片的问题。
可选地，所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，包括：
所述卫星导航基带处理器接收所述多源导航处理器转发的所述惯性数据，根据预设的卫星历书以及所述惯性数据计算卫星信号的载波多普勒预测值和码多普勒预测值；
所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值在进行信号捕获的相干积分过程中动态计算得到本地载波频率和本地码率，并根据所述本地载波频率和本地码率捕获所述卫星导航信号。
可选地，对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及高度数据进行融合得到定位数据，包括：
所述多源导航处理器实时获取所述高度数据，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据计算加权系数；
判断所述高度数据是否大于预设阈值；
若大于，则根据所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据；
否则，根据所述高度数据、所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据。
可选地，所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，包括：
通过如下公式计算所述本地载波频率和本地码率：
Figure BDA0002808742110000031
Figure BDA0002808742110000032
其中，fi表示第i个采样点的本地载波频率；f0表示起始载波频率；
Figure BDA0002808742110000033
表示卫星信号的载波多普勒预测值；Δtm表示预设的相干积分时间；n表示预设的采样点数；τi表示第i个采样点的本地码率；
Figure BDA0002808742110000041
表示卫星的码多普勒预测值。
可选地，根据所述高度数据、卫星定位数据以及惯性数据计算加权系数，包括：
Figure BDA0002808742110000042
Figure BDA0002808742110000043
其中，α、β表示所述加权系数；σINS表示在计算时刻前预设采样点的惯性数据的均方差；σGNSS表示在计算时刻前预设采样点的卫星定位数据的均方差；σG表示在计算时刻前预设采样点的高度数据的均方差；PDOP表示空间位置精度因子；Nsat表示卫星数目。
可选地，根据所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure BDA0002808742110000044
其中，plong、plat以及ph表示所述定位数据中的经度、纬度以及高度值；slong、slat以及sh表示所述卫星定位数据中的经度、纬度以及高度值；Ilong、Ilat以及Ih表示所述惯性数据中的经度、纬度以及高度值。
可选地，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure BDA0002808742110000045
其中，Gh表示所述高度数据。
附图说明
图1为本申请实施例所提供的一种多源导航芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种多源导航定位的方法的流程示意图；
图3为本申请实施例所提供的一种接收卫星导航信号捕获的原理示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，本申请实施例提供的一种多源导航芯片，该芯片包括：卫星导航基带处理器1以及多源导航处理器2，其中，卫星导航基带处理器1用于接收北斗与GPS导航卫星信号，进行信号下变频、AD采样、捕获跟踪及定位解算，并将定位结果输出给多源导航处理器2；多源导航处理器2用于接收卫星导航基带处理器1的卫星导航定位结果、惯性导航器件发送的惯性数据以及无线电高度表发送的高度数据，并将卫星导航定位结果、惯性数据及高度数据进行融合处理，得到高可靠的导航定位结果。
进一步，为了实现多源导航芯片与卫星以及惯性导航器件、无线电高度表的连接以及数据存储，多源导航芯片还包括接口模块3和存储器4。接口模块包括2路422接口、1路CAN接口、1路232接口，其中，2路422接口采用RS422标准电平协议，一路用于连接惯导INS数据，另一路用于连接无线电高度表数据；1路CAN接口用于对外数据输出；1路232接口采用RS232标准电平协议，用于调试数据输出；存储器包括两块FLASH单元，实现程序代码的存储，每块FLASH存储单元存储容量为16Mbit。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种多源导航定位的方法做进一步详细的说明，应用于图1所示的多源导航芯片，所述多源导航芯片包括卫星导航基带处理器以及多源导航处理器，用于接收卫星发送的卫星导航信号、惯性导航器件发送的惯性数据以及无线电高度表发送的高度数据，该方法具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图2所示)：
步骤201，所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，并对所述卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给所述多源导航处理器。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，卫星导航基带处理器接收卫星发送的卫星导航信号的方式有多种，下面以一种较佳的为例进行说明。
在一种可能实现的方式中，所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，包括：所述卫星导航基带处理器接收所述多源导航处理器转发的所述惯性数据，根据预设的卫星历书以及所述惯性数据计算卫星信号的载波多普勒预测值和码多普勒预测值；所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，并根据所述本地载波频率和本地码率捕获所述卫星导航信号。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，包括：通过如下公式计算所述本地载波频率和本地码率：
Figure BDA0002808742110000061
Figure BDA0002808742110000062
其中，fi表示第i个采样点的本地载波频率；f0表示起始载波频率；
Figure BDA0002808742110000063
表示卫星信号的载波多普勒预测值；Δtm表示预设的相干积分时间；n表示预设的采样点数；τi表示第i个采样点的本地码率；
Figure BDA0002808742110000064
表示卫星的码多普勒预测值。
参见图3，为本申请实施例提供的一种接收卫星导航信号捕获的原理示意图。首先，根据卫星历书和惯导数据得到卫星信号的载波多普勒预测值
Figure BDA0002808742110000065
和码多普勒预测值
Figure BDA0002808742110000071
在进行信号捕获时，相干积分时间为Δtm，采样点数为n，在时间Δtm内对卫星信号进行相关运算。由于高速飞行器动态很大，为提高捕获性能，在时间Δtm内第i点的本地载波频率fi和本地码频率τi不是采用传统的固定值，而是根据上述公式采用动态的本地载波频率和本地码率进行卫星信号的相干积分计算。
步骤202，所述多源导航处理器接收所述卫星定位数据、所述惯性导航器件输出的惯性数据以及所述无线电高度表输出的高度数据，对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述高度数据进行融合得到定位数据，根据所述定位数据进行导航定位。
在一种可能实现的方式中，对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述高度数据进行融合得到定位数据，包括：所述多源导航处理器接收所述高度数据，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据计算加权系数；判断所述高度数据是否大于预设阈值；若大于，则根据所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据；否则，根据所述高度数据、所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据。
进一步，在一种可能实现的方式中，根据所述高度数据、卫星定位数据以及惯性数据计算加权系数，包括：
Figure BDA0002808742110000072
Figure BDA0002808742110000073
其中，α、β表示所述加权系数；σINS表示在计算时刻前预设采样点的惯性数据的均方差；σGNSS表示在计算时刻前预设采样点的卫星定位数据的均方差；σG表示在计算时刻前预设采样点的高度数据的均方差；PDOP表示空间位置精度因子；Nsat表示接收的卫星数目。
进一步，在一种可能实现的方式中，根据所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure BDA0002808742110000081
其中，plong、plat以及ph表示所述定位数据中的经度、纬度以及高度值；slong、Slat以及sh表示所述卫星定位数据中的经度、纬度以及高度值；Ilong、Ilat以及Ih表示所述惯性数据中的经度、纬度以及高度值。
进一步，在一种可能实现的方式中，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure BDA0002808742110000082
其中，Gh表示所述高度数据。
具体的，在本申请实施例所提供的方案中，多源导航处理器通过一路RS422接口接收惯性导航器件的位置、速度、加速度以及俯仰、横滚、偏航姿态数据，同时通过另一路RS422接口接收高度表的载体高度数据。多源导航处理器通过自适应方式将卫星定位数据、高度数据以及惯性数据进行多源导航数据进行融合，从而得到一个高可靠的位置值，用来输出给用户使用。
例如，当高度表的高度大于1000km时采用以下融合公式计算位置信息：
Figure BDA0002808742110000083
当高度小于1000km时采用以下融合公式计算位置信息：
Figure BDA0002808742110000084
进一步，加权系数α、β根据GNSS卫星的空间位置精度因子值(Position Dilutionof Precision，PDOP)及卫星数Nsat确定，并通过以下公式计算得到：
Figure BDA0002808742110000091
Figure BDA0002808742110000092
本申请实施例所提供的方案中，通过卫星导航基带处理器接收卫星发送的卫星导航信号，并对卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给多源导航处理器；以及通过多源导航处理器接收卫星定位数据、惯性导航器件输出的惯性数据以及无线电高度表的高度数据，对卫星定位数据、惯性数据以及高度数据进行融合得到定位数据，根据定位数据进行导航定位。因此，本申请实施例提供了一种多源导航芯片将多源导航信息进行集中处理的方案，解决了现有技术中的多源导航信息处理方案不适用于集成化的多源导航芯片的问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种多源导航定位的方法，应用于多源导航芯片，所述多源导航芯片包括卫星导航基带处理器以及多源导航处理器，用于接收卫星发送的卫星导航信号、惯性导航器件发送的惯性数据以及无线电高度表发送的高度数据，其特征在于，包括：
所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，并对所述卫星导航信号进行处理得到卫星定位数据，以及将所述卫星定位数据发送给所述多源导航处理器；
所述多源导航处理器接收所述卫星定位数据、所述惯性导航器件输出的惯性数据以及所述无线电高度表输出的高度数据，对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述高度数据进行融合得到定位数据，根据所述定位数据进行导航定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卫星导航基带处理器捕获卫星发送的卫星导航信号，包括：
所述卫星导航基带处理器接收所述多源导航处理器转发的所述惯性数据，根据预设的卫星历书以及所述惯性数据计算卫星信号的载波多普勒预测值和码多普勒预测值；
所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，并根据所述本地载波频率和本地码率捕获所述卫星导航信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多源导航处理器对所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述高度数据进行融合得到定位数据，包括：
所述多源导航处理器实时获取所述高度数据，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据计算加权系数；
判断所述高度数据是否大于预设阈值；
若大于，则根据所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据；
否则，根据所述高度数据、所述卫星定位数据、所述惯性数据以及所述加权系数得到所述定位数据。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述卫星导航基带处理器根据所述载波多普勒预测值和码多普勒预测值计算得到本地载波频率和本地码率，包括：
通过如下公式计算所述本地载波频率和本地码率：
Figure FDA0002808742100000021
Figure FDA0002808742100000022
其中，fi表示第i个采样点的本地载波频率；f0表示起始载波频率；
Figure FDA0002808742100000023
表示卫星信号的载波多普勒预测值；Δtm表示预设的相干积分时间；n表示预设的采样点数；τi表示第i个采样点的本地码率；
Figure FDA0002808742100000024
表示卫星的码多普勒预测值。
5.如权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，根据所述高度数据、卫星定位数据以及惯性数据计算加权系数，包括：
Figure FDA0002808742100000025
Figure FDA0002808742100000026
其中，α、β表示所述加权系数；σINS表示在计算时刻前预设采样点的惯性数据的均方差；σGNSS表示在计算时刻前预设采样点的卫星定位数据的均方差；σG表示在计算时刻前预设采样点的高度数据的均方差；PDOP表示空间位置精度因子；Nsat表示接收到的卫星数目。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure FDA0002808742100000031
其中，plong、plat以及ph表示所述定位数据中的经度、纬度以及高度值；slong、slat以及sh表示所述卫星定位数据中的经度、纬度以及高度值；Ilong、Ilat以及Ih表示所述惯性数据中的经度、纬度以及高度值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述高度数据、所述卫星定位数据以及所述惯性数据得到所述定位数据，包括：
通过如下公式计算所述定位数据：
Figure FDA0002808742100000032
其中，Gh表示所述高度数据。
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