CN113654573A

CN113654573A - 地面机动载体组合导航系统粗对准方法及其设备

Info

Publication number: CN113654573A
Application number: CN202111204414.2A
Authority: CN
Inventors: 尚润平
Original assignee: Chengdu Yunzhi Beidou Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Yunzhi Beidou Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2041-10-15
Also published as: CN113654573B

Abstract

本发明涉及惯性导航粗对准技术领域，具体涉及地面机动载体组合导航系统粗对准方法，在地面机动载体转弯时，按照导航坐标信号调整策略将多个导航系统中的坐标信息，根据权重计算得出组合导航坐标作为惯性导航的初始位置，并利用IMU模块的陀螺仪获取转弯时的航向信息，根据航向信息和初始位置完成粗对准。本申请还公开了一种地面机动载体组合导航系统粗对准设备，使用本设备能使用户快速享受到上述方法带来的便利。本申请还公开了一种地面机动载体组合导航系统粗对准方法的存储装置，记载了上述粗对准方法，适用于装有多模双频GNSS接收机。

Description

地面机动载体组合导航系统粗对准方法及其设备

技术领域

本发明涉及惯性导航粗对准技术领域，具体涉及地面机动载体组合导航系统粗对准方法及其设备。

背景技术

惯性导航系统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，由于它能提供位置、速度、航向和姿态角数据，且所产生的导航信息连续性好而且噪声低，同时数据更新率高、短期精度和稳定性好，因此它被广泛运用于车载导航中。然而单独的惯性导航系统难以长时间维持高精度定位导航，需要与其他方式的导航系统组合进行导航，例如GNSS导航。

现有组合导航系统的粗对准方案都是直接利用GNSS速度判断粗对准是否进行，当速度达到要求时，直接利用GNSS的位置及航向信息进行粗对准；而在实际情况中，在开始导航时很有可能处于转弯中，而载体在转弯等情况下时，载体的航向不断变化，GNSS导航无法获得准确的航向信息，且GNSS的精度下降严重，无法获得准确的位置信息，导致在转弯过程中进行粗对准容易出现较大的误差。由于上述原因，转弯过程中粗对准的精度低，不适合在转弯过程中做粗对准，因此必须行驶到能够直线行驶的位置才能进行粗对准，而在陌生的地方用户不熟悉路，本来需要的导航却无法提供帮助，只能人工选择一条路来先完成导航的粗对准，若选择的路不是用户需要经过的路，用户需要掉头行驶，不仅耽误了时间而且增大了驾驶难度和驾驶的安全隐患，给用户带来了较差的使用体验。

因此，现在急需发明一种能在转弯时提供具有一定精度的粗对准方法，使用户在转弯时就能完成粗对准。

发明内容

本发明意在提供地面机动载体组合导航系统粗对准方法，用来解决转弯过程中GNSS的精度下降严重无法进行粗对准的技术问题。

本发明提供的基础方案为：地面机动载体组合导航系统粗对准方法，包括以下几个步骤：

步骤1，开启地面机动载体上的组合导航系统，并接收GNSS信号，所述组合导航系统包括用来供地面机动载体连接的全球卫星导航系统和设置在地面机动载体上的惯性导航系统；

步骤2，移动地面机动载体，使地面机动载体的运动速度大于5m/s；

步骤3，在地面机动载体转弯时，设置在地面机动载体上的GNSS接收机接收多个全球卫星导航系统的信号形成导航坐标；将同时接收到的多个导航坐标，按照导航坐标信号调整策略调整各个导航坐标的权重值，计算得到的坐标为组合导航系统的初始位置坐标；

步骤4，所述组合导航系统还包括IMU模块，利用IMU模块中自带的陀螺仪获取转弯时间内陀螺航向轴转过的角度信息，根据角度信息确定相对航向；

步骤5，保存转弯前5s直线行驶时由全球卫星导航系统提供的绝对航向，根据绝对航向加上相对航向得到转弯时的综合航向，根据综合航向和初始位置坐标进行粗对准。

名词解释：

粗对准：初始对准的一种，使导航计算机正式工作时有正确的初始条件。

GNSS：全球导航卫星系统。

GNSS接收机：用于接收全球导航卫星系统信号的设备。

相对航向：陀螺仪只能提供相对的航向信息，即相对于原来行驶方向偏向了多少度角。

绝对航向：本文中的绝对航向指的是转弯前5s时刻直线行驶的航向。

综合航向：即转弯时地面机动载体的航向，为了和绝对航向做出区分，本文描述为相对航向。

本发明的工作原理及优点在于：在地面机动载体直线移动时采取现有技术的粗对准方法获取导航参数的初始值；而重点在于地面机动载体转弯时，由于航向不断变换，GNSS导航系统无法确定航向和准确的初始位置，导航系统通过调整策略综合整理多个导航系统中的坐标信息，得到一个更加精准的坐标作为初始位置，同时采用惯性导航系统获取航向从而使粗对准的精度更高。

地面机动载体组合导航系统粗对准方法在不增加其他传感器和高精度设备的基础上减小了转弯时GNSS导航的精度误差，相比于现有技术，本方案不仅能够使地面机动载体在直线移动中进行粗对准，而且能够在转弯时就开始进行精度较高的粗对准，避免了节地面机动载体驾驶人员因为起步不久就遇到弯道从而延长导航准备时间，节省了导航准备的时间。

进一步，所述的多个全球卫星导航系统的信号包括BDS、GPS、GLONASS和GALILEO的信号。GNSS接收机能够接收到现有广泛应用的四种全球导航系统，适应性强，配合惯性导航系统能够收集到精度较高的航向信息和初始位置坐标信息，使转弯时的粗对准精度更高，进而使后续导航精度更高。

进一步，所述调整策略包括：

步骤31，根据所处地理位置选择默认主导航系统；

步骤32，在转弯时选取BDS、GPS、GLONASS或GALILEO导航系统中信号最强的一个作为新的主导航系统；

步骤33，将除主导航系统外其他导航系统作为参考导航系统，参考导航系统按信号由强到弱排序分别为一级参考、二级参考和三级参考，对各级参考按排序分配权重；

步骤34，通过RTK算法将各个导航系统的坐标转换为组合导航系统中各自的坐标，并根据各个组合导航系统中各自的坐标信息算出组合导航坐标信息。

进一步，主导航系统的权重系数Kf与其他参考导航系统的权重系数Ks之间的关系为

Kf：Ks = 4:1；一级参考权重系数为Ks1，二级参考权重系数为Ks2，三级参考权重系数为Ks3，其中Ks1：Ks2：Ks3 = 5:3:2。按信号强度对导航系统排序，使每个导航系统的贡献更为有效，信号强的导航系统提供的坐标信息更加可靠，贡献度更高，因此权重相对较高，信号弱的导航系统提供的坐标信息带有一定的延时，应削弱对其参考的权重。

进一步，当无法接收导航系统信号、多个导航系统信号强度相同或所有导航系统信号弱时采取第一调整策略，包括：

当无法接收到一个导航系统信号时，删去三级参考和对应的权重系数，调整一级参考与二级参考的权重比例为Ks1：Ks2 = 3:2；

当出现多个导航系统信号无法接收时，选择当前信号最强的导航系统作为主导航系统，并停止参考其他导航系统。

第一调整策略解决了参考导航系统在不同地理位置存在的一些局限性问题，避免因特殊情况导致某种导航系统无法使用，进而使组合导航系统的精度下降。

进一步，将信号强度数值化，数值越低则信号越弱，多个导航系统信号强度相同或所有导航系统信号低于信号阈值时采取第二调整策略包括：

调取近100次历史记录，选择默认主导航系统作为当前主导航系统，其他导航系统分别按照出现在一级、二级或三级参考的频率由高到低排序，调整各级参考权重比例为Kf：Ks1：Ks2：Ks3 = 4:3:2:1。

第二调整策略针对参考导航系统可靠性相对较低时的排序问题，按照历史贡献表现分配权重，最大程度上保证了坐标信息的可靠性。

进一步，所述导航系统按信号强度排序为第一阶段，所述导航系统按历史记录排序为第二阶段，所述得出组合导航坐标信息为第三阶段，三个阶段所用的时间之比为t1：t2：t3=2:3:5。

由于转弯过程中陀螺仪的精度会随时间增长出现较大误差，组合导航系统的粗对准需要在一个极短的时间内完成，因此在提高响应速度的基础上合理分配各阶段的处理时间有利于数据的处理。

进一步，对IMU模块设置一吸震材料制成的减震装置，所述减震装置为底部有均匀分布圆形通孔的泡沫底座。

泡沫底座的作用是过滤掉载体的高频震动，防止载体在运动中判断错误，省去了在软件上做高频滤波的过程，同时为了防止泡沫底座使IMU模块散热不便，在底部开有均匀分布的圆形通孔缓解散热问题。

本发明还意在提供一种地面机动载体组合导航系统粗对准设备，包括GNSS接收机、IMU模块和数据处理模块，所述IMU模块包括底部有均匀分布圆形通孔的泡沫底座。本设备包括使用上述方法所需要的基本设备，所述泡沫底座能减小IMU受到的高频震动，防止IMU模块误判运动状态

本发明还意在提供一种地面机动载体组合导航系统粗对准方法存储装置，包括记载了地面机动载体组合导航系统粗对准方法的存储装置。本存储装置记载有上述粗对准方法，当地面机动载体拥有多模双频GNSS接收机且包括IMU模块或陀螺仪时即可导入本存储装置方法并进行使用。

本方法在转弯时以贴合地理位置的主导航系统和多个参考导航系统提供的位置信息，综合整理出更精确的组合导航坐标信息，并作为惯性导航系统中的初始位置信息进行粗对准，减小转弯带来的精度降低，获得更高的粗对准精度。

名词解释：

惯性导航：惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到位移。

RTK算法：用于解决不同导航系统实时载波相位差分和坐标转换问题的算法。

BDS：北斗卫星导航系统；

GALILEO：伽利略卫星导航系统；

GLONASS：俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统。

主导航系统：主要的导航系统，在整个组合导航系统中占有权重最大。

参考导航系统：为主导航系统提供参考的导航系统，在确定惯性导航系统的初始位置的时候会参与提供坐标，经过综合计算整理得出组合导航坐标信息作为初始位置，参考导航系统的信号强度越大，优先级就越高，在计算中的权重就越大。

组合导航系统：包括主导航系统、参考导航系统和惯性导航系统在内的组合。

吸震材料：吸收震动的材料。

数据处理模块：能够进行数据处理的模块，可以使用车载中央处理器模块或微型计算机等，一般导航系统会自带；数据处理模块用于将同时接收到的多个导航坐标，按照导航坐标信号调整策略调整各个导航坐标的权重值，计算得到的坐标为组合导航系统的初始位置坐标。

附图说明

图1为本发明实施例用于地面机动载体组合导航系统粗对准方法的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例一

实施例基本如附图1所示：地面机动载体组合导航系统粗对准方法，本方法需要用到多模双频GNSS接收机、IMU模块和数据处理模块，其中GNSS接收机可选用T300 SE GNSS接收机，IMU模块可选用YIS370-U，或者直接选用带有多模双频GNSS接收机和IMU模块的组合导航系统，如YIN660-D双天线 RTK 惯性组合导航系统。

粗对准方法包括以下步骤：

步骤1，开启地面机动载体上的组合导航系统接收到GNSS信号，所述组合导航系统包括用来供地面机动载体连接的全球卫星导航系统和设置在地面机动载体上的惯性导航系统；

步骤1和步骤2是满足地面机动载体的粗对准要求，步骤3所述的调整策略主要包括各种情况下如何分配权重。

步骤3的调整策略具体情况如下：

一般条件下，即GNSS接收机能够接收到BDS、GPS、GLONASS和GALILEO信号，将信号分为5格，各导航系统信号强度都在1格以上，且各导航系统的信号强度不完全相同：

首先，根据所处地理位置选择默认主导航系统；其他参考导航系统的坐标都将转换成主导航系统的坐标，以便后续计算出组合导航坐标，由于地理位置不同导致存在差异，因此不同导航系统在不同位置产生的效果不同，进而选择不同的导航系统作为默认主导航系统，如在中国四川选择BDS比较好，而在俄罗斯选择GLONASS比较好；一般而言，默认主导航系统都是当地信号最好的一个；

其次，在转弯时选取BDS、GPS、GLONASS或GALILEO导航系统中信号最强的一个作为新的主导航系统；此方案是为了防止主导航系统的信号突然无法接收到或信号弱，大多数情况下新的主导航系统仍然是默认主导航系统；

再其次，将除主导航系统外其他导航系统按信号由强到弱排序分别作为一级、二级和三级参考，对各级参考按排序分配权重；在当前技术环境下各主流导航系统的精度差距不是特别大，参考导航系统当前信号强则可靠性高，在计算组合导航坐标时就更重要，因此对其分配更高的权重；此时主导航系统的权重系数Kf与其他参考导航系统的权重系数Ks之间的关系为Kf：Ks = 4:1；一级参考权重系数为Ks1，二级参考权重系数为Ks2，三级参考权重系数为Ks3，其中Ks1：Ks2：Ks3 = 5:3:2；

最后，通过RTK算法将各个导航系统的坐标转换为组合导航系统中各自的坐标，并根据各个组合导航系统中各自的坐标信息算出组合导航坐标信息。

针对一般条件作出的第一调整策略，其包括无法接收到一种或多种信号：

GNSS接收机无法接收到一种信号时，删去三级参考和对应的权重系数，调整一级参考与二级参考的权重比例为Ks1：Ks2 = 3:2；由于无法接收到这种信号，因此它在信号的排序中属于三级参考，但因为它没有任何的意义，参考它相当于引入了噪声，所以删去三级参考并不再分配给它权重，停止对该导航系统的参考；同时，由于缺少了一个参考导航系统，其他参考系统的相对权重变大了，因此需要改变一级和二级参考的权重比例，使一级参考在计算中占更大的贡献；

GNSS接收机无法接收到多种信号时，选择当前信号最强的导航系统作为主导航系统，并停止参考其他导航系统；当某些地理位置极其特殊无法接收到多种信号时，此时参考导航系统可靠性较低，停止参考避免引入噪声。

针对一般条件作出的第二种调整策略，其包括多个导航系统信号强度相同或所有导航系统信号低于1格的情况：

调取近100次历史记录，选择默认主导航系统作为当前主导航系统，其他导航系统分别按照出现在一级、二级或三级参考的频率由高到低排序，调整各级参考权重比例为Kf：Ks1：Ks2：Ks3 = 4:3:2:1；当无法根据信号强度进行参考排序的时候，调取历史数据，通过历史记录的各导航系统的可靠性进行排序。

上述特殊情况可能会同时出现，因此将计算组合导航坐标的过程分为三个阶段，第一阶段按信号强度分配权重；第二阶段按历史数据分配权重；第三阶段根据权重列出计算表达式并计算出组合导航坐标；由于随着时间推移陀螺仪误差扩大会降低惯性导航系统的精度，该过程必须在一个极短的时间内完成，因此为了给计算和后续反应留出充足的时间将整个过程分为三个时间段t1、t2和t3，t1：t2:t3=2:3:5。

在第三阶段中：由权重系数之和为1结合权重比例可得出各权重系数具体数值，再根据现有技术的RTK算法将参考导航系统的坐标换算到主导航系统的坐标系中，最后将各参考导航系统的坐标乘以各自权重系数后求和即可得到组合导航坐标。

步骤4和步骤5中，根据相对航向确定了综合航向，综合航向确定的策略是：在车辆直线形式的时候保存前5s时刻直线行驶的绝对航向，这个绝对航向是由全球卫星导航系统提供，因为在直线行驶的情况下，全球卫星导航系统提供航向是准确的。当组合导航系统检测到车辆运动半径（R=V/ω）小于200m时，此时认为载体在做转弯，此时的航向由直线行驶时全球卫星导航系统提供的航向与转弯时陀螺航向轴转过的角度共同确定，即综合航向等于绝对航向加上相对航向。在得到转弯时初始位置坐标和综合航向后，完成粗对准。

针对实施例中调节策略的一般条件例如：

某人在国内某地自驾游，该地山路较多，在达到导航对速度的要求后，由于转弯过程方位频繁变化，无法提供准确的方向和初始位置等导航参数，因此无法进行粗对准，导航系统迟迟不能进入准确导航状态。此时控制车载计算机开启组合导航系统，利用惯性导航系统控制IMU模块中的陀螺仪辅助确定航向；而为了获得更精准的粗对准需要更为精确的初始位置坐标。车载计算机同时接收BDS、GPS、GLONASS和GALILEO信号，信号强度分别为5格、4格、3格和两格，经过车载计算机比较选择BDS作为主导航系统占权重为Kf，GPS、GLONASS和GALILEO分别作为一级、二级和三级参考，且分别占权重Ks1、Ks2和Ks3；由Kf+Ks1+Ks2+Ks3=1，Kf：Ks = 4:1，Ks1：Ks2：Ks3 = 5:3:2三式联立算出Ks1、Ks2和Ks3的具体数值。GNSS接收机接收到了GPS、GLONASS和GALILEO接收到的坐标信号分别为GPS（a，b，c）、GLONASS（A，B，C）和GALILEO（α，β，γ），并将其传输给车载计算机处理，车载计算机通过组合导航系统中的RTK算法将不同导航系统中的坐标换算到主导航系统的坐标系中得到了新的坐标，GPS（x1，y1，z1）、GLONASS（x2，y2，z2）和GALILEO（x3，y3，z3），而此时BDS坐标为（xi，yi，zi），因此组合导航系统的坐标（X,Y,Z）=Kf*（xi，yi，zi）+Ks1*（x1，y1，z1）+Ks2*（x2，y2，z2）+Ks3*（x3，y3，z3）；由于组合导航系统得到了航向和较为精准的初始位置坐标，因此在转弯过程中就完成了精度较高的粗对准，便于后续获得高精度的导航。

地面机动载体组合导航系统粗对准设备，包括GNSS接收机、IMU模块和；数据处理模块，所述IMU模块包括底部有均匀分布圆形通孔的泡沫底座，所述底座为长方形泡沫板、中间有一个长方形凹槽，能够将IMU模块放入凹槽，并在运动中减小IMU模块受到的高频震动，底部均匀分布圆形通孔用于缓解泡沫材料带来的散热不便。

地面机动载体组合导航系统粗对准方法存储装置，包括但不限于记载了地面机动载体组合导航系统粗对准方法的U盘、SD卡和ROM，可利用车载中央处理器直接运行该方法的计算程序。

实施例二

本实施例中，地面机动载体组合导航系统粗对准设备，其泡沫底座呈半包围结构，泡沫底座具有三个一体成型连接的侧板，以及与三个侧板粘接在一起的底板，通过三个侧板和一个底板将设备的底部包裹起来。泡沫底座的三个侧板均为层状结构，三个侧板上同一层的部分彼此连接形成一个“U”型连接层，每层泡沫之间都是通过强力胶粘贴后压紧形成，这样既能够形成强有力的支撑又能够使底座各个侧板一起形成一个形状较为固定的半包围结构，而泡沫材料本身的柔软特性能够很好地吸收设备传递来的振动，起到防震缓冲作用。此外，本实施例中泡沫底座的各个侧壁上开有的散热孔，从外到内呈开口逐渐减小的锥形孔。相对的两个侧壁上的锥形孔对称布置，即靠近IMU模块的一端为锥形孔的小端，远离IMU模块的一端为锥形孔的大端，本实施例中的泡沫层至少有四层以上，使泡沫底座的侧壁足够厚，这样能够使锥形孔的长度能够适当，能够在风从外向内吹动时在锥形孔内形成压缩，便于压缩后的空气在进入到半包围结构内即靠近设备时，能够吸收带走热量。

通过本实施例中的泡沫底座，能够增加设备的减震能力，避免因IMU模块震动导致转弯时粗对准的综合航向出现较大误差，同时能够通过增加散热性来降低增加泡沫座带来的不利影响。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未做过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

2.根据权利要求1所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于：所述的多个全球卫星导航系统的信号包括BDS、GPS、GLONASS和GALILEO的信号。

3.根据权利要求2所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于，所述调整策略包括：

步骤31，根据所处地理位置选择默认主导航系统；

4.根据权利要求3所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于：主导航系统的权重系数Kf与其他参考导航系统的权重系数Ks之间的关系为Kf：Ks = 4:1；

一级参考权重系数为Ks1，二级参考权重系数为Ks2，三级参考权重系数为Ks3，其中Ks1：Ks2：Ks3 = 5:3:2。

5.根据权利要求4所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于：当无法接收导航系统信号时采取第一调整策略包括：

6.根据权利要求4所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于，将信号强度数值化，数值越低则信号越弱，多个导航系统信号强度相同或所有导航系统信号均低于信号阈值时采取第二调整策略，包括：

7.根据权利要求6所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于：第一阶段为导航系统按信号强度排序，第二阶段为导航系统按历史记录排序，第三阶段为得出组合导航坐标信息，三个阶段所用的时间之比为t1：t2：t3=2:3:5。

8.根据权利要求1所述的地面机动载体组合导航系统粗对准方法，其特征在于：对IMU模块设置一吸震材料制成的减震装置，所述减震装置为底部有均匀分布圆形通孔的泡沫底座。

9.一种地面机动载体组合导航系统粗对准设备，其特征在于：包括GNSS接收机、IMU模块和数据处理模块，所述GNSS接收机用于地面机动载体转弯时，接收多个全球卫星导航系统的信号形成导航坐标；所述数据处理模块用于将同时接收到的多个导航坐标，按照导航坐标信号调整策略调整各个导航坐标的权重值，计算得到的坐标为组合导航系统的初始位置坐标；所述IMU模块包括底部有均匀分布圆形通孔的泡沫底座。