CN113267191A - 一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法，本发明的系统包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器(包括三轴加速度和三轴角速度)和数据处理与算法运行平台；全向接收天线安装在小车顶部，用于接收伪卫星信号；GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器分别将各自观测量数据传输至数据处理与算法运行平台；平台一方面将里程计数据与惯性数据融合获得航位推算位置估计，另一方面利用伪卫星室内区域信号图谱模型匹配获得绝对位置，然后利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位估算值进行校正，获得最终的位置估计。

Description

一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法
技术领域
本发明涉及基于室内导航信号增强的无人车多源融合导航定位和信号通信领域，特别是一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法。
背景技术
无人车的导航系统常常包括惯性传感器和里程计，然而，由于器件固有的缺陷，两者融合后形成的航位推算系统的估计结果存在累积误差，该累积误差随时间不断累积，没有边界。针对该问题，在无人车上配置卫星导航接收机，通过卫星导航定位对无人车航位推算系统进行校正。以提高整个导航系统的定位精度。然后，由于室内建筑物的遮挡，卫星导航信号无法到达室内，导航接收机无法实现定位。虽然，虽然可以采用激光雷达或视觉等传感器来与航位推算系统融合定位，但是，一方面会增加无人车导航系统的成本和系统的复杂度；另一方面激光雷达或视觉虽然定位精度较高，但仍属于自主定位，同样存在累积误差。
伪卫星是一种位于地面的可发射类空间导航信号的发射机，能够克服在高山、峡谷和高楼林立的城市等室外地区，空间导航信号受到严重遮挡从而使接收机无法实现导航和定位问题，并且不需要对现有导航接收机硬件进行任何修改，可用于基于卫星导航信号的室内外连续定位，且不需要增加额外的硬件成本。由于室内多径效应严重和空间有限，伪距和载波相位观测量误差很大以及几何精度因子较大，使得基于传统的三边定位方法失效。
基于上述原因，需要一种基于导频信号的转发式伪卫星时间同步系统及方法，利用室内安装的阵列伪卫星导航信号在不同地面位置处原始观测量特性存在差异的特点，创建室内区域伪卫星信号图谱匹配模型，用于获取绝对位置，然后与惯性传感器和里程计融合的航位推算系统进行融合，对航位推算结果进行校正，提供整个无人车导航系统的定位精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于阵列伪卫星室内区域信号图谱校正的无人车导航系统及方法，实现基于阵列伪卫星/惯性传感器/里程计融合的无人车导航，提高无人车导航系统的定位精度和可靠性，克服室内地区因空间导航信号遮挡导航接收机无法定位，无法对航位推算系统进行校正的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器和数据处理与算法运行平台；
GNSS/伪卫星接收机用于利用全向接收天线接收伪卫星信号，并发送至数据处理与算法运行平台；
里程计用于获取车前进的速度和方位，并发送至数据处理与算法运行平台；
惯性传感器用于获取车机体的速度、方位和位置，并发送至数据处理与算法运行平台；
数据处理与算法运行平台用于将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
其中，所述的GNSS/伪卫星接收机包括射频模块和GNSS/伪卫星导航芯片；
射频模块用于将接收的伪卫星信号转换为中频信号，然后发送到GNSS/伪卫星导航芯片；
GNSS/伪卫星导航芯片用于根据中频信号获得包括载波相位、伪距和可见卫星号在内的阵列伪卫星观测数据。
其中，所述的数据处理与算法运行平台包括数据接收与解析模块、航位推算模块、伪卫星信号图谱匹配模块以及伪卫星与航位估算融合模块；
数据接收与解析模块用于同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
航位推算模块用于使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星信号图谱匹配模块用于将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星与航位估算融合模块用于将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，包括如下步骤：
步骤1：初始化标定：创建伪卫星室内区域信号图谱模型，并且在地面上标出一个已知点；
步骤2：位置初始化：启动无人车、GNSS/伪卫星接收机、惯性传感器和里程计，控制无人车至已知点，设置该已知点作为航位推算的初始位置；
步骤3：GNSS/伪卫星接收机接收伪卫星信号，同时，里程计获取车前进的速度和方位，惯性传感器获取车机体的速度、方位和位置，并分别传输至数据处理与算法运行平台；
步骤4：数据处理与算法运行平台将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
其中，所述步骤4包括以下子步骤：
(401)数据接收与解析模块同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
(402)航位推算模块使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；同时，伪卫星信号图谱匹配模块将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
(403)伪卫星与航位估算融合模块若接收到伪卫星匹配的绝对位置，则采用EKF将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计，否则只输出航位推算位置。
其中，所述步骤1中创建伪卫星室内区域信号图谱模型步骤如以下：
步骤1：选择一块无人车导航车活动的区域；
步骤2：将该区域划分出网格，网格交点为参考点；
步骤3：将接收机天线放置在参考点上，每一个参考点处采集伪卫星数据设定时间，记录每个参考点处的伪卫星观测量和该参考点位置；其中，伪卫星观测量包括载波相位、伪距平均观测量数值和卫星号；
步骤4：将每个参考点位置和该参考点处的伪卫星观测量经深度学习算法训练出参考点位置与伪卫星观测量的匹配模型，形成伪卫星室内在该区域的伪卫星信号图谱模型。
其中，伪卫星室内区域信号图谱模型预先创建时，采集伪卫星信号的接收机天线高度与无人车实时运行时接收机天线放置高度相同。
本发明技术具有如下优点：
(i)本发明提出了一种基于阵列伪卫星室内区域信号图谱校正的无人车导航系统及方法，在室内环境下使用阵列伪卫星对无人车航位推算系统(惯性传感器与里程计融合系统)进行校正。在终端侧使用GNSS/伪卫星接收机，避免了无人车在室外使用卫星导航系统，而进入室内后不得不更改接收终端的弊端，减小无人车导航系统的复杂度。
(ii)本发明提出了一种基于阵列伪卫星室内区域信号图谱校正的无人车导航系统及方法，通过在室内无人车活动区域采集阵列伪卫星信号，提取出每个采样位置的阵列伪卫星信号特征(载波相位、伪距、可见卫星号)等来创建伪卫星室内区域信号图谱模型，实现绝对定位，能够克服伪卫星信号因室内严重多径效应造成的伪距和载波相位观测量失真，导致基于常规的三边定位方法失效的问题。
附图说明
图1是本发明实施例无人车导航系统工作原理示意图；
图2是本发明实施例数据处理与算法运行平台主要组成和工作原理示意图；
图3是本发明实施例伪卫星与航位推算系统融合工作原理示意图；
图4是本发明实施例无人车导航系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的描述：
图1为本发明无人车导航系统工作原理示意图，包括GNSS和伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器(包括三轴加速度和三轴角速度)和数据处理与算法运行平台；全向接收天线安装在小车顶部，用于接收伪卫星信号，里程计安装在小车轮子上用于获取小车前进的速度和方位，惯性传感器安装在小车靠近中心位置用于获取小车机体的速度、方位和位置；GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器分别将各自观测量数据传输至数据处理与算法运行平台；数据处理与算法运行平台一方面将里程计获取的小车速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置进行融合，获得航位推算位置估计，另一方面利用伪卫星室内区域信号图谱模型实时匹配获得绝对位置，然后利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位估算值进行校正，获得最终的位置估计。
所述的GNSS/伪卫星接收机主要包括射频模块和GNSS/伪卫星导航芯片，全向接收天线将接收到的室内伪卫星信号通过射频模块转换成中频信号，然后送到GNSS/伪卫星导航芯片后获得包括载波相位、伪距和可见卫星号在内的RTCM3.0格式的阵列伪卫星观测数据。
图2是数据处理与算法运行平台主要组成和工作原理示意图，所述的数据处理与算法运行平台主要包括数据接收与解析模块、航位推算模块、伪卫星信号图谱匹配模块以及伪卫星与航位估算融合模块；航位推算模块包括捷联导航机制模块(INS)和松组合扩展卡尔曼滤波模型(Extended Kalman Filter,EKF)；数据接收与解析模块同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器原始观测量数据，并将解析出的惯性传感器数据(三轴加速度和三轴角速度信息)和里程计数据(小车速度和方位信息)传输到航位推算模块；航位推算模块首先使用INS机制对惯性传感器数据进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后再使用松组合扩展卡尔曼滤波模型(Extended Kalman Filter,EKF)对惯性估计信息与里程计信息进行融合，获得航位推算估计结果后送至伪卫星与航位估算融合模块；数据接收与解析模块将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号传输到伪卫星信号图谱匹配模块后获得匹配位置，然后将该匹配位置传输到伪卫星与航位估算融合模块。伪卫星与航位估算融合模块将航位估算与伪卫星匹配位置融合，对航位估算值进行校正，获得最终的位置估计。
图3伪卫星与航位推算系统融合工作原理示意图，首先利用INS机制对惯性传感器数据(三轴加速度和三轴角速度)进行处理获得速度、位置和姿态信息，然后与里程计输出的速度、方位经EKF融合，得到航位推算估计结果；同时伪卫星经信号图谱匹配模块实现匹配获得绝对位置，最后将获得的该绝对位置与航位推算结果经EKF滤波模型融合，得到最终的位置估计。
图4为本发明一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法工作流程图，步骤如下：
步骤1：初始化标定：创建伪卫星室内区域信号图谱模型，并且在地面上标出一个已知点；其中，创建伪卫星室内区域信号图谱模型步骤如以下：
步骤1：选择一块无人车导航车活动的区域；
步骤2：将该区域划分出网格，网格交点为参考点；
步骤3：将接收机天线放置在参考点上，每一个参考点处采集伪卫星数据设定时间，记录每个参考点处的伪卫星观测量和该参考点位置；其中，伪卫星观测量包括载波相位、伪距平均观测量数值和卫星号；
步骤4：将每个参考点位置和该参考点处的伪卫星观测量经深度学习算法训练出参考点位置与伪卫星观测量的匹配模型，形成伪卫星室内在该区域的伪卫星信号图谱模型；
步骤2：位置初始化：启动无人车、GNSS/伪卫星接收机、惯性传感器和里程计，控制无人车至已知点，设置该已知点作为航位推算的初始位置；
步骤3：GNSS/伪卫星接收机接收伪卫星信号，同时，里程计获取车前进的速度和方位，惯性传感器获取车机体的速度、方位和位置，并分别传输至数据处理与算法运行平台；
步骤4：数据处理与算法运行平台将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
其中，步骤4具体包括以下步骤：
(401)数据接收与解析模块同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
(402)航位推算模块使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；同时，伪卫星信号图谱匹配模块将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
(403)伪卫星与航位估算融合模块若接收到伪卫星匹配的绝对位置，则采用EKF将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计，否则只输出航位推算位置。
以上所述，仅为本发明的一具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，在本发明揭露的技术范围内，可理解想到的变换，都应涵盖在本发明的包含范围内。

Claims (7)

1.一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器和数据处理与算法运行平台；
GNSS/伪卫星接收机用于利用全向接收天线接收伪卫星信号，并发送至数据处理与算法运行平台；
里程计用于获取车前进的速度和方位，并发送至数据处理与算法运行平台；
惯性传感器用于获取车机体的速度、方位和位置，并发送至数据处理与算法运行平台；
数据处理与算法运行平台用于将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，所述的GNSS/伪卫星接收机包括射频模块和GNSS/伪卫星导航芯片；
射频模块用于将接收的伪卫星信号转换为中频信号，然后发送到GNSS/伪卫星导航芯片；
GNSS/伪卫星导航芯片用于根据中频信号获得包括载波相位、伪距和可见卫星号在内的阵列伪卫星观测数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，所述的数据处理与算法运行平台包括数据接收与解析模块、航位推算模块、伪卫星信号图谱匹配模块以及伪卫星与航位估算融合模块；
数据接收与解析模块用于同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
航位推算模块用于使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星信号图谱匹配模块用于将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星与航位估算融合模块用于将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
4.一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：初始化标定：创建伪卫星室内区域信号图谱模型，并且在地面上标出一个已知点；
步骤2：位置初始化：启动无人车、GNSS/伪卫星接收机、惯性传感器和里程计，控制无人车至已知点，设置该已知点作为航位推算的初始位置；
步骤3：GNSS/伪卫星接收机接收伪卫星信号，同时，里程计获取车前进的速度和方位，惯性传感器获取车机体的速度、方位和位置，并分别传输至数据处理与算法运行平台；
步骤4：数据处理与算法运行平台将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。
5.根据权利要求4中所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，其特征在于，所述步骤4包括以下子步骤：
(401)数据接收与解析模块同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
(402)航位推算模块使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；同时，伪卫星信号图谱匹配模块将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
(403)伪卫星与航位估算融合模块若接收到伪卫星匹配的绝对位置，则采用EKF将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计，否则只输出航位推算位置。
6.根据权利要求5中所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，其特征在于：所述步骤1中创建伪卫星室内区域信号图谱模型步骤如以下：
步骤1：选择一块无人车导航车活动的区域；
步骤2：将该区域划分出网格，网格交点为参考点；
步骤3：将接收机天线放置在参考点上，每一个参考点处采集伪卫星数据设定时间，记录每个参考点处的伪卫星观测量和该参考点位置；其中，伪卫星观测量包括载波相位、伪距平均观测量数值和卫星号；
步骤4：将每个参考点位置和该参考点处的伪卫星观测量经深度学习算法训练出参考点位置与伪卫星观测量的匹配模型，形成伪卫星室内在该区域的伪卫星信号图谱模型。
7.根据权利要求4中所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，其特征在于：伪卫星室内区域信号图谱模型预先创建时，采集伪卫星信号的接收机天线高度与无人车实时运行时接收机天线放置高度相同。
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