CN114353792A - 车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，包括在设定范围内虚拟一个差分基站；在目标车辆上安装导航天线；设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点；选定参考点、安装临时天线并得到对应坐标；获取导航天线和临时天线的位置坐标；以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系并计算导航天线在站心坐标系中的位置坐标；利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的导航角并得到导航天线在载体坐标系的位置坐标；计算最终的惯导系统的杆臂测量结果。本发明还公开了一种包括所述车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法的导航方法。本发明方法避免了复杂的测量过程和车辆的复杂机动方式，而且测量精确度高，可靠性好，实施简单方便。

Description

车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法及导航方法

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及一种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法及导航方法。

背景技术

随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，车载导航技术已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障导航系统的安全、稳定、精确运行，就成为了导航系统的重要研究方向。目前，常用的车载导航为车载组合导航系统；车载组合导航系统包括了多种导航设备和导航方法，并对自身集成的多种导航方法的导航结果进行融合，从而实现精确的车载导航功能。

惯性导航系统一直是车载组合导航系统中的重要组成部分。在车载惯性导航系统中，杆臂指的是惯导安装中心与卫导天线安装中心的偏差；杆臂数据的精确程度，将直接影响到车载惯性导航的精确程度，从而进一步影响到处在组合导航的精确程度。因此，杆臂的测量，一直是惯性导航的重要组成部分。

目前，常用的杆臂测量方法一般有两种：直接测量和估算测量。直接测量，就是采用卷尺直接量取的方式进行杆臂的测量；但是直接测量的方式与惯导终端（IMU终端）的安装位置和gnss天线的安装位置直接相关，一旦安装位置不合适，惯导终端的安装位置与gnss天线安装位置之间有较多障碍物（车座等）时，此时的测量结果将非常不准确。估算测量的方式，则是通过建立若干误差矩阵、状态方程和量测方程，并基于车辆的多类型运动和Kalman滤波器，从理论上估计出杆臂值；这种方式虽然理论上能够得到杆臂的精确值，但是在实际应用中，杆臂测量的精度受限于惯导的精度（MEMS惯导几乎不可用），且需要配合复杂的车辆方式（8字型轨迹机动或者反复绕圈机动）才能使Kalman滤波器收敛；这使得估算测量的方式非常复杂，而且精确性往往也不太高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种精确度高、可靠性好且实施简单方便的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法。

本发明的目的之二在于提供一种包括了所述车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法的导航方法。

本发明提供的这种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，包括如下步骤：

S1. 采用已有的网络位置服务，在目标车辆的设定范围内虚拟一个差分基站；

S2. 在目标车辆上安装用于车载组合导航系统的若干个导航天线；

S3. 设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点；选定参考点，并在选定参考点上安装临时天线，同时获取临时天线在载体坐标系中的坐标；

S4. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取导航天线和临时天线的位置坐标；

S5. 以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系，并根据步骤S4得到的导航天线和临时天线的位置坐标，换算得到导航天线在站心坐标系中的位置坐标；

S6. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的导航角，并基于获取的导航角和步骤S5得到的导航天线在站心坐标系中的位置坐标，计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标；

S7. 根据步骤S6得到的导航天线在载体坐标系的位置坐标和临时天线在载体坐标系的位置坐标，计算得到最终的惯导系统的杆臂测量结果。

步骤S3所述的设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点，具体为以惯导终端所在位置的水平面为XY平面，以目标车辆的左右方向为X轴、目标车辆的前后方向为Y轴，以重力方向为Z轴，建立载体坐标系，并设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点。

步骤S3所述的选定参考点，具体为选定参考点后，参考点在载体坐标系中的位置坐标能够精确测量得到。

所述的步骤S4，具体为利用目标车辆的车载组合导航系统接入差分基站的差分信号和自身的高精度定位信号，输出导航天线和临时天线的位置坐标，位置坐标为（纬度，经度，高度）；输出位置坐标时，当输出的临时位置坐标为固定解时才进行信息的保存，且持续保存超过设定时间的临时位置坐标，并根据保存的若干临时位置坐标综合计算，从而得到和输出最终的位置坐标。

步骤S5所述的以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系，具体为以临时天线所在位置为原点，以与载体坐标系的坐标轴方向相同的方向为坐标轴，建立站心坐标系。

所述的步骤S6，具体为利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的航向角、横滚角和俯仰角，从而构建地理坐标系与载体坐标系之间的相对变换矩阵，并利用得到的相对变换矩阵计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标。

所述的相对变换矩阵，具体为采用如下算式作为相对变换矩阵：

式中

为相对变换矩阵；

为航向角；

为横滚角；

为俯仰角。

本发明还公开了一种包括了所述车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法的导航方法，具体包括如下步骤：

A. 在目标车辆上安装包括了惯导系统的车载组合导航系统；

B. 采用上述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，对惯导系统的杆臂进行测量，并将杆臂值加载到车载组合导航系统中，完成车载组合导航系统的标定；

C. 采用步骤B得到的标定后的车载组合导航系统，实时对目标车辆进行高精度导航。

本发明提供的这种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法及导航方法，相对于传统的物理测量方式，避免了复杂的测量过程，仅需要简单的相对距离测量即可实现杆臂的精准测量；同时，本发明方法相对于传统的Kalman滤波建模的方式，避免了车辆所需要的复杂机动方式，而且不受惯导精度的限制，仅需简单的计算就可获取厘米级的杆臂测量精度；因此本发明方法的精确度高、可靠性好且实施简单方便。

附图说明

图1为本发明的测量方法的方法流程示意图。

图2为本发明的天线安装示意图。

图3为本发明的导航方法的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的测量方法的方法流程示意图：

本发明提供的这种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，包括如下步骤：

S1. 采用已有的网络位置服务，在目标车辆的设定范围内虚拟一个差分基站；

S2. 在目标车辆上安装用于车载组合导航系统的若干个导航天线；

S3. 设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点；选定参考点，并在选定参考点上安装临时天线，同时获取临时天线在载体坐标系中的坐标；

其中，建立载体坐标系时，以惯导终端所在位置的水平面为XY平面，以目标车辆的左右方向为X轴、目标车辆的前后方向为Y轴，以重力方向为Z轴，建立载体坐标系，并设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点；

此外，参考点的选取要求为：选定参考点后，参考点在载体坐标系中的位置坐标能够精确测量得到；

如图2所示为本发明的天线安装示意图；在图2中，导航天线有2组，其中1为第一导航天线，2为第二导航天线，3为临天线，4为惯性终端；图2（a）为天线安装时的侧面角度视图，图2（b）为天线安装时的俯视角度视图；

关于参考点的选定，在图2中，则直接选取参考点在的载体坐标系Y轴上，这样方便研究人员采用人工测量的方式，测量得到参考点的位置坐标；

S4. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取导航天线和临时天线的位置坐标；具体为利用目标车辆的车载组合导航系统接入差分基站的差分信号和自身的高精度定位信号，输出导航天线和临时天线的位置坐标，位置坐标为（纬度，经度，高度）；输出位置坐标时，当输出的临时位置坐标为固定解时才进行信息的保存，且持续保存超过设定时间的临时位置坐标，并根据保存的若干临时位置坐标综合计算，从而得到和输出最终的位置坐标；

S5. 以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系，并根据步骤S4得到的导航天线和临时天线的位置坐标，换算得到导航天线在站心坐标系中的位置坐标；

建立站心坐标系时，具体为以临时天线所在位置为原点，以与载体坐标系的坐标轴方向相同的方向为坐标轴，建立站心坐标系；

S6. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的导航角，并基于获取的导航角和步骤S5得到的导航天线在站心坐标系中的位置坐标，计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标；具体为利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的航向角、横滚角和俯仰角，从而构建地理坐标系与载体坐标系之间的相对变换矩阵，并利用得到的相对变换矩阵计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标；

具体实施时，采用如下算式作为相对变换矩阵：

式中

为相对变换矩阵；

为航向角；

为横滚角；

为俯仰角;

S7. 根据步骤S6得到的导航天线在载体坐标系的位置坐标和临时天线在载体坐标系的位置坐标，计算得到最终的惯导系统的杆臂测量结果；具体而言，就是在载体坐标系中，根据导航天线的位置坐标和临时天线的位置坐标，计算导航天线与惯导终端之间的距离。

如图3所示为本发明的导航方法的方法流程示意图：本发明还公开了一种包括了所述车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法的导航方法，具体包括如下步骤：

A. 在目标车辆上安装包括了惯导系统的车载组合导航系统；

B. 采用上述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，对惯导系统的杆臂进行测量，并将杆臂值加载到车载组合导航系统中，完成车载组合导航系统的标定；

C. 采用步骤B得到的标定后的车载组合导航系统，实时对目标车辆进行高精度导航。

以下结合一个实施例，对本发明方法进行进一步说明：

测试采用在车后备箱临时安装三个产品（对应三种杆臂测量方式）以及一个高精度RTK设备，卫导信号来自同一个卫导天线，使用功分器一分为四，供应给三个产品和高精度RTK设备，保证三个产品和高精度RTK设备使用相同的卫星导航信号；安装连接好测试设备后，首先使用直接测量方法、本发明方法测量杆臂，然后按照设计的跑车路线（初始阶段有连续的90度转弯，给估算测量方法进行杆臂的估计）；最终得到的杆臂测量结果如表1所示；

表1 三种杆臂测量方法及对应的测量结果示意表

跑车测试完成后，将跑车结果（惯导安装中心的结果）经过测量的杆臂值转换到卫导天线中心的结果，然后将转换后的结果与高精度RTK设备（输出结果为卫导天线中心的结果）进行比较，得到三种测量方法的测量精度对比结果，如表2所示：

表2 三种测量方法的测量精度对比示意表

从表2的结果可以看出，无论是1sigma精度，还是5cm、5cm~10cm、10cm以上精度方面，本发明方法均优于另外两种现有方法。

Claims (8)

1.一种车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于包括如下步骤：

S1. 采用已有的网络位置服务，在目标车辆的设定范围内虚拟一个差分基站；

S2. 在目标车辆上安装用于车载组合导航系统的若干个导航天线；

S3. 设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点；选定参考点，并在选定参考点上安装临时天线，同时获取临时天线在载体坐标系中的坐标；

S4. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取导航天线和临时天线的位置坐标；

S5. 以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系，并根据步骤S4得到的导航天线和临时天线的位置坐标，换算得到导航天线在站心坐标系中的位置坐标；

S6. 利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的导航角，并基于获取的导航角和步骤S5得到的导航天线在站心坐标系中的位置坐标，计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标；

S7. 根据步骤S6得到的导航天线在载体坐标系的位置坐标和临时天线在载体坐标系的位置坐标，计算得到最终的惯导系统的杆臂测量结果。

2.根据权利要求1所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于步骤S3所述的设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点，具体为以惯导终端所在位置的水平面为XY平面，以目标车辆的左右方向为X轴、目标车辆的前后方向为Y轴，以重力方向为Z轴，建立载体坐标系，并设定惯导终端所在位置为载体坐标系的原点。

3.根据权利要求2所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于步骤S3所述的选定参考点，具体为选定参考点后，参考点在载体坐标系中的位置坐标能够精确测量得到。

4.根据权利要求3所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于所述的步骤S4，具体为利用目标车辆的车载组合导航系统接入差分基站的差分信号和自身的高精度定位信号，输出导航天线和临时天线的位置坐标，位置坐标为（纬度，经度，高度）；输出位置坐标时，当输出的临时位置坐标为固定解时才进行信息的保存，且持续保存超过设定时间的临时位置坐标，并根据保存的若干临时位置坐标综合计算，从而得到和输出最终的位置坐标。

5.根据权利要求4所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于步骤S5所述的以临时天线所在位置为原点建立站心坐标系，具体为以临时天线所在位置为原点，以与载体坐标系的坐标轴方向相同的方向为坐标轴，建立站心坐标系。

6.根据权利要求5所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于所述的步骤S6，具体为利用目标车辆的车载组合导航系统获取对应的航向角、横滚角和俯仰角，从而构建地理坐标系与载体坐标系之间的相对变换矩阵，并利用得到的相对变换矩阵计算得到导航天线在载体坐标系的位置坐标。

7.根据权利要求6所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，其特征在于所述的相对变换矩阵，具体为采用如下算式作为相对变换矩阵：

式中

为相对变换矩阵；

为航向角；

为横滚角；

为俯仰角。

8.一种包括了权利要求1~7之一所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法的导航方法，其特征在于具体包括如下步骤：

A. 在目标车辆上安装包括了惯导系统的车载组合导航系统；

B. 采用权利要求1~7之一所述的车载组合导航系统中惯导系统的杆臂测量方法，对惯导系统的杆臂进行测量，并将杆臂值加载到车载组合导航系统中，完成车载组合导航系统的标定；

C. 采用步骤B得到的标定后的车载组合导航系统，实时对目标车辆进行高精度导航。

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