CN116182847A - 车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提出一种车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质，属于导航技术领域，通过获取导航接收机的PVT解算状态，当PVT解算状态为浮点解且载波相位差分观测量可用时，基于载波相位差分观测量进行滤波估计得到第一观测误差，当PVT解算状态为伪距差分解或单点解，且伪距观测量可用时，基于伪距观测量进行滤波估计得到第二观测误差，当PVT解散状态为固定解时，基于位置速度观测量进行滤波估计得到第三观测误差，从而得到的观测误差对捷联计算进行补偿，得到导航信息，实现根据定位状态和观测量质量来切换不同的观测量进行误差估计，以进行导航，极大地提高了复杂场景下的组合导航精度。

Description

车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体而言，涉及一种车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
在自动驾驶定位领域中，全球导航卫星系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)/惯性导航系统(inertial navigation system，INS)组合导航是必备的绝对定位方式之一。由于城市道路环境复杂，GNSS卫星信号易受遮挡、多径效应等问题影响。
传统的GNSS/INS紧组合导航方法中，通常采用伪距伪距率紧组合的方式，直接使用GNSS原始观测量的伪距和伪距率观测量构建量测方程。由于伪距信息观测噪声较大，容易受多径效应的影响，导致定位精度低，导航准确度差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质，其能改善传统的GNSS/INS紧组合导航方法所存在的定位精度低和导航准确度差的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供一种车载捷联组合导航方法，所述方法包括：
获取导航接收机的PVT解算状态；
当所述PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态；
若所述载波相位差分观测量处于可用状态，则基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；
当所述PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态；
若所述伪距观测量处于可用状态，则基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；
当所述PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差；
根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
进一步地，所述方法还包括：
若所述载波相位差分观测量未处于可用状态，则执行所述判断当前的伪距观测量是否处于可用状态的步骤。
进一步地，所述方法还包括：
若所述载波相位差分观测量和所述伪距观测量均处于不可用状态时，利用航位推算法，得到导航信息。
进一步地，所述判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态的步骤，包括：
获取当前历元的每颗卫星的载波相位差分观测量和卫地位置单位矢量，以及当前历元的车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量；
计算所述位置矢量和所述卫地位置单位矢量的乘积，计算出每颗卫星的所述载波相位差分观测量与所述乘积的第一差值，并计算出所有所述第一差值的第一标准差；
判断所述第一标准差是否小于预设的第一阈值，若是，则所述载波相位差分观测量处于可用状态，否则所述载波相位差分观测量未处于可用状态。
进一步地，所述判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态的步骤，包括：
获取当前历元的每颗卫星的伪距观测量，以及当前历元的车辆组合导航位置和每颗卫星位置之间的卫地距离；
计算出每颗卫星的所述伪距观测量与所述卫地距离的第二差值，并计算出所有所述第二差值的第二标准差；
判断所述第二标准差是否小于预设的第二阈值，若是，则所述伪距观测量处于可用状态。
进一步地，所述基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差的步骤，包括：
将所有所述第一差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将所述参考星的第一差值作为第一条件值；
从当前历元的所有卫星的载波相位差分观测量中，选择所述第一差值与所述第一条件值之间的差值小于第一偏差门限的载波相位差分观测量作为选定观测量；
基于所有所述选定观测量，建立第一量测方程和第一状态方程；
基于所述第一量测方程和所述第一状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第一观测误差；其中，所述第一观测误差包括经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。
进一步地，所述基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差的步骤，包括：
将所有所述第二差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将所述参考星的第二差值作为第二条件值；
从当前历元的所有卫星的伪距观测量中，选择所述第二差值与所述第二条件值之间的差值小于第二偏差门限的伪距观测量作为选定观测量；
基于所有所述选定观测量，建立第二量测方程和第二状态方程；
基于所述第二量测方程和所述第二状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第二观测误差；其中，所述第二观测误差包括经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。
进一步地，所述根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息的步骤，包括：
根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算所得到的位置、速度和航向信息进行补偿，得到导航信息。
进一步地，所述获取导航接收机的PVT解算状态的步骤，包括：
根据导航接收机的PVT解算的状态标识，确定PVT解算状态。
进一步地，所述第一差值的计算公式包括：
Figure BDA0004078460410000041
其中，
Figure BDA0004078460410000042
表示第i颗卫星的第一差值，/>
Figure BDA0004078460410000043
表示第i颗卫星的载波相位差分观测量，ei表示第i颗卫星的位置坐标到导航接收机的位置坐标的卫地位置单位矢量，Δb表示车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量。
进一步地，所述第二差值的计算公式包括：
Dρi＝ρi-Pi
其中，Dρi表示第i颗卫星的第二差值，ρi表示第i颗卫星的伪距观测量，Pi表示车辆组合导航位置和第i颗卫星的卫地距离。
第二方面，本发明实施例提供一种车载捷联组合导航装置，包括状态确定模块、误差估计模块和补偿模块；
所述状态确定模块，用于获取导航接收机的PVT解算状态；
所述误差估计模块，用于当所述PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态，若所述载波相位差分观测量处于可用状态，则基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；
所述误差估计模块，还用于当所述PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态，若所述伪距观测量处于可用状态，则基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；
所述补偿模块，用于根据所述第一观测误差或所述第二观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序以实现如第一方面所述的车载捷联组合方法。
第四方面，本发明实施例提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的车载捷联组合方法。
本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法、装置、电子设备及存储介质，通过获取导航接收机的PVT解算状态，当PVT解算状态为浮点解且当前历元的载波相位差分观测量处于可用状态时，基于载波相位差分观测量进行滤波估计得到第一观测误差，当PVT解算状态为伪距差分解或单点解，且当前历元的伪距观测量处于可用状态时，基于伪距观测量进行滤波估计得到第二观测误差，当PVT解散状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计得到第三观测误差，从而根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差对捷联计算进行补偿，得到导航信息，实现根据定位状态和观测量质量来切换不同的观测量进行误差估计，以进行导航，从而极大地提高了复杂场景下的组合导航精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的车载捷联组合导航系统的方框示意图。
图2示出了本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法的流程示意图之一。
图3示出了本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法的流程示意图之二。
图4示出了图2或图3中步骤S13的部分子步骤的流程示意图。
图5示出了图2或图3中步骤S15的部分子步骤的流程示意图。
图6示出了图2或图3中步骤S14的部分子步骤的流程示意图。
图7示出了图2或图3中步骤S16的部分子步骤的流程示意图。
图8示出了本发明实施例提供的车载捷联组合导航装置的方框示意图。
图9示出了本发明实施例提供的电子设备的方框示意图。
附图标记：100-车载捷联组合导航系统；110-导航接收机；120-卫星；130-车载终端；140-车载捷联组合导航装置；150-状态确定模块；160-误差估计模块；170-补偿模块；180-电子设备。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在自动驾驶定位领域的GNSS/INS组合导航技术中，通常使用最优估计方法获得车辆的位置、速度、姿态等导航信息，用于自动驾驶的决策。其中，最常用的最优估计方法为卡尔曼滤波，根据车辆运动方程构建状态方程，根据GNSS观测量信息构建观测方程。由于车辆的运动状态相对于机载、弹载和船载等场景，具有机动较小、路线相对固定、低速低扰动等优点。因此，INS的运动学模型的准确性对最优估计的精度影响相对较小。
但是，车辆的行驶环境相对其他场景更为复杂，卫星信号易受干扰，GNSS观测量对估计精度的影响较大。传统的松组合方式在复杂场景下GNSS的PVT解算信息精度下降时和可用卫星数小于4颗时无法有效的利用卫星信息进行误差修正，导致定位精度低，影响导航准确度。
传统的GNSS/INS紧组合方法中，通常使用伪距伪距率紧组合的方式，直接使用GNSS原始观测量的伪距和伪距率观测量构建量测方程。然而伪距信息观测噪声较大，容易受多径效应的影响，导致定位精度低，影响导航准确度。同时，观测量较多时，滤波器运算量大。
基于上述考虑，本发明实施例提供一种车载捷联组合导航方法，其能够传统的组合导航方法所存在的定位精度低和导航准确度差的问题。以下，对该方案进行介绍。
本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法，可以应用于图1所示的车载捷联组合导航系统100中，该车载捷联组合导航系统100包括导航接收机110和车载终端130，导航接收机110可以通过can总线与车载终端130通信连接，且导航接收到与多颗导航卫星120通信。
导航接收机110，用于接收、跟踪、变换和测量关于卫星120的GNSS信号，来得到PVT解算。
其中，GNSS信号包括但不限于：相对于每颗卫星120的位置速度观测量、载波相位差分观测量和伪距观测量。PVT解算是指导航接收机110的位置、速度和时间解算。
车载终端130，用于根据PVT解算状态，实现如本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法。
车载捷联组合导航系统100还可以包括惯性传感器，惯性传感器可以与导航接收机110固连，惯性传感器可以通过can总线与车载终端130通信连接，车载终端130可以根据惯性传感器的输出信息进行数值积分求解，得到捷联解算。
在一种可能的实施方式中，参照图2，本发明实施例提供了一种车载捷联组合方法，可以包括以下步骤。在本实施方式中，以该方法应用于图1中的车载终端130来举例说明。
S11，获取导航接收机的PVT解算状态。当PVT解算状态为固定解时，执行步骤S12，当PVT解算状态为浮点解时，执行步骤S13，当PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，执行步骤S15。
需要说明的是，PVT解算状态一般分为固定解、浮点解、伪距差分解和单点解。
S12，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差。
S13，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态。若是，则执行步骤S14。
S14，基于载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差。
S15，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态。若是，则执行步骤S16。
S16，基于伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差。
S17，根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
其中，捷联解算指的是捷联惯性导航系统中惯性传感器与导航接收机固连，通过获取惯性传感器的输出信息，并对输出信息进行数值积分求解，得到的导航参数。捷联解算包括导航接收机的姿态、速度和位置等参数。
车载终端130实时获取与导航接收机110固连的关系传感器的输出信息，并对该输出信息进行处理，得到捷联解算。同时，导航接收机110实时对获取的当前历元的GNSS信号进行处理，得到PVT解算，并实时发送给车载终端130。
车载终端130获取导航接收机110当前历元的PVT解算，并确定PVT解算状态。在一种可能的实施方式中，PVT解算中包括状态标识，每个状态标识对应一个PVT解算状态，车载终端130可以根据导航接收机110的PVT解算的状态标识，确定出PVT解算状态。
当PVT计算状态为固定解时，车载终端130基于导航接收机110测量的当前历元的位置速度观测量进行滤波估计得到第三观测误差。当PVT解算状态为浮点解，且导航接收机110测量的当前历元的载波相位差分观测量处于可用状态时，车载终端130基于载波相位差分观测量进行滤波估计得到第一观测误差。当PVT解算状态为伪距差分解或单点解，且导航接收机110测量的当前历元的伪距观测量处于可用状态时，车载终端130基于伪距观测量进行滤波估计得到第二观测误差。进而，车载终端130根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
载波相位差分信息能够提供前后历时元间的卫星120和接收机的相对距离之差，观测量噪声较小，不易受多径效应的影响，观测量精度高。
与传统的组合导航方法相比，本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法根据定位状态和观测量质量，来切换位置速度观测量、载波相位差分观测量或伪距观测量进行误差估计，并基于估计出的观测误差对捷联解算进行补偿来得到导航信息，能够尽可能地降低多径效应的影响，极大地提高了复杂场景下的定位精度和导航准确度。
考虑到PVT解算状态为浮点解时，当前历元的载波相位差分观测量存在不可用的情况，为了顺利进行导航以及尽可能提高导航准确度，在一种可能的实施方式中，参照图3，在步骤S13时，若判定载波相位差分观测量处于不可用状态，则执行步骤S15。在浮点解时，且载波相位差分观测量不可用时，判断伪距观测量是否处于可用状态，若是，则基于伪距观测量进行滤波估计，以使用估计出的第二观测误差补偿捷联解算，得到导航信息。
进一步地，考虑到伪距观测量处于不可用状态时，为了尽可能提高导航准确度，并及时提供导航信息，在一种可能的实施方式中，请继续参照图3，本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法还可以包括步骤S18，在步骤S15中判定当前历元的伪距观测量处于不可用状态时，执行步骤S18。
S18，利用航位推算法，得到导航信息。
航位推算法是基于获知当前时刻位置的条件下，通过车辆移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法。航位推算法是导航技术领域中传统的导航方法，本实施方式中，不再做介绍。
判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态的方式可以灵活设置，例如，可以按照预设规则进行判断，也可以采用神经网络算法进行判断，本实施方式中，不作具体限定。
为了进一步提高定位精度和导航准确度，在判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态的过程中引入标准差和第一阈值。其中，第一阈值为根据大量的历史经验数据或者多次实验过后设定的值。在此基础上，参照图4，上述步骤S13可以进一步实施为以下步骤。
S131，获取当前历元的每颗卫星的载波相位差分观测量和卫地位置单位矢量，以及当前历元的车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量。
S132，计算位置矢量和卫地位置单位矢量的乘积，计算出每颗卫星的载波相位差分观测量与乘积的第一差值，并计算出所有第一差值的第一标准差。
S133，判断第一标准差是否小于预设的第一阈值。若是，则载波相位差分观测量处于可用状态，否则载波相位差分观测量未处于可用状态。
应当理解的是，用于导航的卫星系统中包括多颗卫星，因此，对于每颗卫星，都有一个载波相位差分观测量和一个位置矢量。
第一差值的计算公式可以表示为：
Figure BDA0004078460410000111
其中，
Figure BDA0004078460410000112
表示第i颗卫星的第一差值，/>
Figure BDA0004078460410000113
表示第i颗卫星的载波相位差分观测量，ei表示第i颗卫星的位置坐标到导航接收机的位置坐标的卫地位置单位矢量，Δb表示车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量。
所有卫星的第一差值可以用一个多维矩阵进行表示，该矩阵可以为：
Figure BDA0004078460410000114
其中，n表示可用的载波相位差分观测量的个数。
所有第一差值的第一标准差可以表示为：std(Nn×1)，第一阈值可以表示为Tstdcp。在此基础上，当满足std(Nn×1)<Tstdcp时，则载波相位差分观测量处于可用状态。
同理，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态的方式可以灵活设置，例如，可以按照预设规则进行判断，也可以采用神经网络算法进行判断，本实施方式中，不作具体限定。
为了进一步提高定位精度和导航准确度，在判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态的过程中引入标准差和第二阈值。其中，第二阈值为根据大量的历史经验数据或者多次实验过后设定的值。在此基础上，参照图5，上述步骤S15可以进一步实施为以下步骤。
S151，获取当前历元的每颗卫星的伪距观测量，以及当前历元的车辆组合导航位置和每颗卫星位置之间的卫地距离。
S152，计算出每颗卫星的伪距观测量与卫地距离的第二差值，并计算出所有第二差值的第二标准差。
S153，判断第二标准差是否小于预设的第二阈值。若是，则伪距观测量处于可用状态，否则伪距观测量处于不可用状态。
由于用于导航的卫星系统中包括多颗卫星，因此，对于每颗卫星120，导航接收机还可以观测到该卫星的伪距观测量，以及前历元的车辆组合导航位置和该卫星位置之间的卫地距离。
第二差值的计算公式可以表示为：Dρi＝ρi-Pi。
其中，Dρi表示第i颗卫星的第二差值，ρi表示第i颗卫星的伪距观测量，Pi表示车辆组合导航位置和第i颗卫星的卫地距离。
所有卫星的第二差值可以用一个多维矩阵进行表示，该矩阵可以为：Mm×1＝[ρ1-P1，ρ2-P2，…，ρm-Pm]。其中，m表示可用的伪距观测量的个数。
所有第二差值的第二标准差可以表示为：std(Mm×1)，第二阈值可以表示为Tstdpsr。在此基础上，当满足std(Mm×1)<Tstdpsr时，则伪距观测量处于可用状态。
滤波估计的方式可以灵活选择，例如，可以是松组合卡尔曼滤波，也可以是中值滤波，一阶滤波等，在本实施方式中，不作具体限定。
在一种可能的实施方式中，针对步骤S12，在PVT解算状态为固定解释，可以对当前历元的位置速度观测量进行松组合卡尔曼滤波，得到第三观测误差。由于基于位置速度观测量进行松组合卡尔滤波为导航中常用的方法，故本实施方式中，不作详细赘述。
由于传统的组合导航方法中，对于不同的卫星，导航接收机存在钟差，导致定位精度差。在一种可能的实施方式中，为了尽可能消除导航接收机的钟差，以提高采用载波相位差分观测量进行滤波估计时的定位精度，引入星间差分和卡尔曼滤波。具体地，参照图6，上述步骤S14可以进一步实施为以下步骤。
S141，将所有第一差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将参考星的第一差值作为第一条件值。
S142，从当前历元的所有卫星的载波相位差分观测量中，选择第一差值与第一条件值之间的差值小于第一偏差门限的载波相位差分观测量作为选定观测量。
S143，基于所有选定观测量，建立第一量测方程和第一状态方程。
S144，基于第一量测方程和第一状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第一观测误差。
需要说明的是，第一观测误差包括但不限于是：经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。第一偏差门限为根据大量的历史经验数据或多次实验后设定的值。
第一差值的多维矩阵
Figure BDA0004078460410000131
Figure BDA0004078460410000132
的中位数所对应的卫星(即参考星)编号为ref1，使用参考星的第一差值作为星间差分的第一条件值，第一条件值可以表示为：/>
Figure BDA0004078460410000133
第一偏差门限可以表示为Tmaxcp。
对于第i颗卫星的载波相位差分观测量，满足
Figure BDA0004078460410000134
Figure BDA00040784604100001411
时，则该载波相位差分观测量即为选定观测量。
第一状态方程可以表示为：
Figure BDA0004078460410000141
第一状态方程中，
Figure BDA0004078460410000142
以及，X1(t)＝[δr,δv,δΨ,δba,δbg,δtru]T，/>
Figure BDA0004078460410000143
为X1(t)的一阶微分。
其中，δr为北东地坐标系下的经纬高位置误差，δv为东北地坐标系下的速度误差，δΨ为姿态误差，δba为加速度计零偏误差，δbg为陀螺仪零偏误差，δtru为导航接收机的历元间钟差之差所引起的观测量误差，I为3×3单位矩阵，
Figure BDA0004078460410000144
为地球自转速度的反对称阵，/>
Figure BDA0004078460410000145
为载体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵，/>
Figure BDA0004078460410000146
为加速度计在载体坐标系下的测量值，w(t)为高斯白噪声矢量。载体可以是导航接收机。
第一量测方程可以表示为：Z1(t)＝H1(t)X1(t)+v(t)。
第一量测方程中，
Figure BDA0004078460410000147
以及，
Figure BDA0004078460410000148
其中，v(t)为高斯白噪声矢量。
基于上述第一状态方程和第一量测方程，利用卡尔曼滤波估计第一观测误差，将连续卡尔曼滤波公式列写为如下的离散卡尔曼滤波计算公式。
Figure BDA0004078460410000149
Figure BDA00040784604100001410
上述离散卡尔曼滤波计算公式中，式中
Figure BDA0004078460410000151
为tk-1到tk一步转移状态估计量，Φk/k-1＝I+F(tk-1)T，Pk/k-1为tk-1到tk一步转移状态误差矩阵，Kk为滤波增益矩阵，Pk为tk时刻的状态误差矩阵，Qk-1为状态噪声矩阵，Rk-1为量测噪声矩阵。
将上述第一量测方程和第一状态方程代入离散卡尔曼滤波计算公式进行计算，即可得到估计出的第一观测误差
Figure BDA0004078460410000152
通过上述步骤S141-S144，使用参考星作为星间差分，以基于参考星的第一条件值，消除卫星钟差和接收机钟差对定位的影响，从而能够极大地提高定位精度。
用于导航的卫星系统多种多样，例如，GPS系统、伽利略系统和北斗系统。而导航接收机对不同卫星系统的原始观测量的处理方式不同，导致导航接收机对不同卫星系统的接收机钟差特性不同。
在一种可能的实施方式中，为了消除导航接收机对不同卫星系统处理不同而引入的误差，以提高基于伪距关了进行滤波估计时的定位精度，引入星间差分和卡尔曼滤波，并对伪距观测量进行分系统处理。具体地，参照图7，上述步骤S16可以进一步实施为以下步骤。
S161，将所有第二差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将参考星的第二差值作为第二条件值。
S162，从当前历元的所有卫星的伪距观测量中，选择第二差值与第二条件值之间的差值小于第二偏差门限的伪距观测量作为选定观测量。
S163，基于所有选定观测量，建立第二量测方程和第二状态方程。
S164，基于第二量测方程和第二状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第二观测误差。
需要说明的是，第二观测误差也可以包括经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。第二偏差门限为根据大量的历史经验数据或多次实验后设置的值。
第二差值的多维矩阵Mm×1＝[ρ1-P1，ρ2-P2，…，ρm-Pm]的中位数所对应的卫星(即参考星)编号为ref2，使用参考星的第二差值作为星间差分的第二条件值，第二条件值可以表示为：ρref2-Pref2，第二偏差门限可以表示为Tmaxpsr。
对于第i颗卫星的伪距观测量，满足(ρi-Pi)-(ρref-Pref)<maxpsr时，则该伪距观测量即为选定观测量。
第二状态方程可以表示为：
Figure BDA0004078460410000161
第二状态方程中，X2(t)＝[δr,δv,vΨ,δba,δbg,δtgu,δtcu]T。其中，δtgu为GPS系统的导航接收机钟差引起的观测量误差。δtcu为北斗系统的导航接收机钟差引起的观测量误差。应当理解的是，当卫星系统及卫星系统的数量发生变化时，则可以在X2(t)中对导航接收机钟差引起的观测量误差进行调整，例如，增加、删除或修改。
第二量测方程可以表示为：Z2(t)＝H2(t)X2(t)+v(t)。
第二量测方程中，
Figure BDA0004078460410000162
以及，
Figure BDA0004078460410000163
其中，
Figure BDA0004078460410000171
表示GPS系统的第n颗卫星的卫地距离的估计量，egn表示GPS系统的第n颗卫星的卫地位置单位矢量，/>
Figure BDA0004078460410000172
表示北斗卫星的第n颗卫星的卫地距离的估计量，ecn表示北斗卫星的第n颗卫星的卫地位置单位矢量。
同理，将上述第二量测方程和第二状态方程代入离散卡尔曼滤波计算公式进行计算，即可得到估计出的第二观测误差
Figure BDA0004078460410000173
通过上述步骤S161-S164，使用参考星作为星间差分，以基于参考星的第二条件值，消除卫星钟差和接收机钟差对定位的影响，同时，将导航接收机对不同卫星系统的接收机误差分开估计，同时对不同卫星系统的观测量噪声分开设置，能够极大地提高定位精度。
得到估计出的第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差后，车载终端根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算所得到的位置、速度和航向信息进行补偿，得到导航信息。
捷联解算包括姿态更新方法，速度更新方法和位置更新方法。
姿态更新方法可以表示为：
Figure BDA0004078460410000174
求解上式微分方程可更新当前姿态矩阵，式中
Figure BDA0004078460410000175
为载体系相对导航系的角速度。通过姿态矩阵可进一步求解载体的俯仰角、横滚角和航向角。
速度更新方法可以表示为：
Figure BDA0004078460410000176
其中，/>
Figure BDA0004078460410000177
为载体系下加速度计测得的比力，gn为当地重力加速度。
位置更新方法可以表示为：
Figure BDA0004078460410000178
Figure BDA0004078460410000179
其中，L为纬度，RM为子午圈半径，RN为酉卯圈半径，h为海拔高。
在得到第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差时，将各误差量通过加、乘等任意补偿方式，分别补偿到捷联解算得到的姿态、位置和速度等导航参数上，即可完成补偿，得到导航信息。
本发明实施例提供的车载捷联组合导航方法，根据卫星定位状态和原始观测量信息质量实现速度位置松组合、载波相位差分紧组合和伪距紧组合的无缝切换，提高复杂场景下的组合导航精度。简化载波相位差分的量测模型，通过中位数法选取参考星做星间差分进一步消除导航接收机钟差，提高导航精度。同时，在伪距观测量的第二量测方程和第二状态方程中使用分卫星系统的接收机钟差估计方法，实现更精确地修正伪距原始观测量，以进一步提高导航精度。
基于上述车载捷联组合导航方法的发明构思，在一种可能的实施方式中，本发明实施例还提供了一种车载捷联组合导航装置140，可以应用于图1中的车载终端130。参照图8，该车载捷联组合导航装置140可以包括状态确定模块150、误差估计模块160和补偿模块170。
状态确定模块150，用于获取导航接收机的PVT解算状态。
误差估计模块160，用于当PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态，若载波相位差分观测量处于可用状态，则基于载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差。
误差估计模块160，还用于当PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态，若伪距观测量处于可用状态，则基于伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差。
误差估计模块160，还用于当PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差。
补偿模块170，用于根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
上述车载捷联组合导航装置140中，通过状态确定模块150、误差估计模块160和补偿模块170的协同作用，根据定位状态和观测量质量，来切换位置速度观测量、载波相位差分观测量或伪距观测量进行误差估计，并基于估计出的观测误差对捷联解算进行补偿来得到导航信息，能够尽可能地降低多径效应的影响，极大地提高了复杂场景下的定位精度和导航准确度。
关于车载捷联组合导航装置140的具体限定可以参见上文中对于车载捷联组合导航方法的限定，在此不再赘述。上述车载捷联组合导航装置140中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于电子设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于电子设备的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一种实施方式中，提供了一种电子设备180，该电子设备180可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该电子设备180包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该电子设备180的处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备180的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备180的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、近场通信(NFC)或其他技术实现。该计算机程序被处理器执行时实现如上述实施方式提供的车载捷联组合导航方法。
图9中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的电子设备180的限定，具体的电子设备180可以包括比图9中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一种实施方式中，本发明提供的车载捷联组合导航装置140可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图9所示的电子设备180上运行。电子设备180的存储器中可存储组成该车载捷联组合导航装置140的各个程序模块，比如，图8所示的状态确定模块150、误差估计模块160和补偿模块170。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的车载捷联组合导航方法中的步骤。
例如，图9所示的电子设备180可以通过如图8所示的车载捷联组合导航装置140中的状态确定模块150执行步骤S11。电子设备180可以通过误差估计模块160执行步骤S12-S16。电子设备180可以通过补偿模块170执行步骤S17。
在一种实施方式中，提供了一种电子设备180，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：获取导航接收机的PVT解算状态；当PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态，若载波相位差分观测量处于可用状态，则基于载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；当PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态，若伪距观测量处于可用状态，则基于伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；当PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差；根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
在一种实施方式中，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：获取导航接收机的PVT解算状态；当PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态，若载波相位差分观测量处于可用状态，则基于载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；当PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态，若伪距观测量处于可用状态，则基于伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；当PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差；根据第一观测误差、第二观测误差或第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述方法包括：
获取导航接收机的PVT解算状态；
当所述PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态；
若所述载波相位差分观测量处于可用状态，则基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；
当所述PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态；
若所述伪距观测量处于可用状态，则基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；
当所述PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差；
根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
2.根据权利要求1所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述载波相位差分观测量未处于可用状态，则执行所述判断当前的伪距观测量是否处于可用状态的步骤。
3.根据权利要求2所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述伪距观测量均处于不可用状态，则利用航位推算法，得到导航信息。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态的步骤，包括：
获取当前历元的每颗卫星的载波相位差分观测量和卫地位置单位矢量，以及当前历元的车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量；
计算所述位置矢量和所述卫地位置单位矢量的乘积，计算出每颗卫星的所述载波相位差分观测量与所述乘积的第一差值，并计算出所有所述第一差值的第一标准差；
判断所述第一标准差是否小于预设的第一阈值，若是，则所述载波相位差分观测量处于可用状态，否则所述载波相位差分观测量未处于可用状态。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态的步骤，包括：
获取当前历元的每颗卫星的伪距观测量，以及当前历元的车辆组合导航位置和每颗卫星位置之间的卫地距离；
计算出每颗卫星的所述伪距观测量与所述卫地距离的第二差值，并计算出所有所述第二差值的第二标准差；
判断所述第二标准差是否小于预设的第二阈值，若是，则所述伪距观测量处于可用状态。
6.根据权利要求4所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差的步骤，包括：
将所有所述第一差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将所述参考星的第一差值作为第一条件值；
从当前历元的所有卫星的载波相位差分观测量中，选择所述第一差值与所述第一条件值之间的差值小于第一偏差门限的载波相位差分观测量作为选定观测量；
基于所有所述选定观测量，建立第一量测方程和第一状态方程；
基于所述第一量测方程和所述第一状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第一观测误差；其中，所述第一观测误差包括经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。
7.根据权利要求5所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差的步骤，包括：
将所有所述第二差值中的中位数所对应的卫星作为参考星，将所述参考星的第二差值作为第二条件值；
从当前历元的所有卫星的伪距观测量中，选择所述第二差值与所述第二条件值之间的差值小于第二偏差门限的伪距观测量作为选定观测量；
基于所有所述选定观测量，建立第二量测方程和第二状态方程；
基于所述第二量测方程和所述第二状态方程，采用卡尔曼滤波估计误差估计，得到第二观测误差；其中，所述第二观测误差包括经纬高位置误差、速度误差和姿态误差。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息的步骤，包括：
根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算所得到的位置、速度和航向信息进行补偿，得到导航信息。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述获取导航接收机的PVT解算状态的步骤，包括：
根据导航接收机的PVT解算的状态标识，确定PVT解算状态。
10.根据权利要求4所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述第一差值的计算公式包括：
Figure FDA0004078460400000041
其中，
Figure FDA0004078460400000042
表示第i颗卫星的第一差值，/>
Figure FDA0004078460400000043
表示第i颗卫星的载波相位差分观测量，ei表示第i颗卫星的位置坐标到导航接收机的位置坐标的卫地位置单位矢量，Δb表示车辆组合导航位置相对前一历元的位置矢量。
11.根据权利要求5所述的车载捷联组合导航方法，其特征在于，所述第二差值的计算公式包括：
Dρi＝ρi-Pi
其中，Dρi表示第i颗卫星的第二差值，ρi表示第i颗卫星的伪距观测量，Pi表示车辆组合导航位置和第i颗卫星的卫地距离。
12.一种车载捷联组合导航装置，其特征在于，包括状态确定模块、误差估计模块和补偿模块；
所述状态确定模块，用于获取导航接收机的PVT解算状态；
所述误差估计模块，用于当所述PVT解算状态为浮点解时，判断当前历元的载波相位差分观测量是否处于可用状态，若所述载波相位差分观测量处于可用状态，则基于所述载波相位差分观测量进行滤波估计，得到第一观测误差；
所述误差估计模块，还用于当所述PVT解算状态为伪距差分解或单点解时，判断当前历元的伪距观测量是否处于可用状态，若所述伪距观测量处于可用状态，则基于所述伪距观测量进行滤波估计，得到第二观测误差；
所述误差估计模块，还用于当所述PVT解算状态为固定解时，基于当前历元的位置速度观测量进行滤波估计，得到第三观测误差；
所述补偿模块，用于根据所述第一观测误差、所述第二观测误差或所述第三观测误差，对捷联解算进行补偿，得到导航信息。
13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序以实现如权利要求1至11中任一项所述的车载捷联组合方法。
14.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至11中任一项所述的车载捷联组合方法。
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