一种基于GNSS和INS的组合导航方法与流程

一种基于gnss和ins的组合导航方法
技术领域
1.本发明涉及电子导航技术领域，尤其涉及一种基于gnss和ins的组合导航方法。


背景技术：

2.目前，通常通过卫星导航系统(gnss)或通过陀螺仪、加速度计等组成的惯性导航系统(ins)获取载体的位置信息和速度信息以实现定位。
3.其中，卫星导航通过太空中的多颗已知空间位置和速度的卫星对用户进行导航和定位；优点在于卫星导航可以实现全球覆盖，且定位精度高没有时间积累误差；缺点在于卫星导航的数据传输信号容易受到电磁干扰或地形干扰，当载体处在在丛林、室内以及城市等区域时，系统的信号受限较大。
4.惯性导航系统通常由陀螺仪和加速度计等组成，优点在于该系统无需依赖外界信息，可以独立自主提供导航信息，不易受到载体所处位置外部环境的影响；该系统的抗干扰能力强，且输出的导航信息平稳；该系统的缺点在于具有时间累计误差，随着使用时间变长，输出的结果误差越大，定位精度随着使用时间逐渐降低。
5.根据卫星导航系统和惯性导航系统各自的特点，本发明基于优势互补的思想，利用卫星导航系统的高精度优势对惯性导航系统的误差进行校正，就可以实现一种抗干扰能力强，输出稳定，定位精度高的组合导航系统，此组合导航系统的导航性能优于单一导航系统，能够实现在城市、丛林、隧道、电磁干扰等复杂场景下的高精度导航定位功能，获得实时位置信息。
6.因此，需要一种能克服卫星导航系统(gnss)和惯性导航系统(ins)缺点的足额和系统，实现在城市、丛林、隧道、电磁干扰等复杂场景下的高精度导航定位功能。


技术实现要素：

7.本发明提供一种基于gnss和ins的组合导航方法，用以解决上述现有技术中的缺陷。
8.本发明提供一种基于gnss和ins的组合导航方法，包括步骤：
9.通过gnss导航模块获取载体的第一定位信息；
10.通过ins导航模块获取载体的第二定位信息；
11.对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；并基于所述第一定位信息获取最优估计值；
12.计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；
13.若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；
14.其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；
15.所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度
信息。
16.进一步，包括步骤：
17.若所述gnss导航模块的gps信号正常，则输出所述最优估计值作为整合导航信息。
18.进一步，包括步骤：
19.获取待测物在初始时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度，应用公式：
[0020][0021][0022][0023]
其中，ae、an、au分别为待测物在东向、北向和竖直向上方向上运动的加速度；ve(t0)、vn(t0)、vu(t0)分别为所述待测物在初始时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度；ve(ts)、vn(ts)、vu(ts)分别为所述待测物在当前时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度。
[0024]
进一步，包括步骤：
[0025]
基于所述第一定位信息获取所述载体的位置信息，获取所述载体在初始时刻的经度j0、纬度w0和高度h0，基于所述第二定位信息进一步估算所述载体当前时刻的位置信息。
[0026]
进一步，包括步骤：
[0027]
通过gnss导航模块获取所述载体在当前时刻的经度j、纬度w和高度h；基于所述第二定位信息获取所述载体在初始时刻和当前时刻内的经度变化率jj、纬度变化率和高度变化率分别应用公式：
[0028][0029][0030][0031]
其中，rn和rm分别表示卯酉圈曲率半径和地球参考椭球模型的子午圈曲率半径；
[0032][0033][0034]
其中，re为地球半径，e为地心偏心率。
[0035]
进一步，包括步骤：
[0036]
估算所述载体在当前时刻的经度js、纬度ws和高度hs，应用公式：
[0037][0038][0039]
[0040]
其中，t0表示初始时刻，ts表示当前时刻,js为估算的经度，ws为估算的纬度，hs为估算的高度。
[0041]
进一步，包括步骤：
[0042]
将预处理后的所述估计初值和所述第一定位信息输入卡尔曼滤波器；通过卡尔曼滤波器获取所述最优估计值。
[0043]
另一方面，本发明还提供一种基于gnss和ins的组合导航系统，包括gnss导航模块、ins导航模块、预处理模块和解算模块；
[0044]
gnss导航模块，用于获取载体的第一定位信息；
[0045]
ins导航模块，用于获取所述载体的第二定位信息；
[0046]
预处理模块，用于对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；
[0047]
解算模块，基于所述第一定位信息获取最优估计值；计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；
[0048]
其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；
[0049]
所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息。
[0050]
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于gnss和ins的组合导航方法的步骤。
[0051]
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于gnss和ins的组合导航方法的步骤。
[0052]
本发明提供的一种所述基于gnss和ins的组合导航方法，通过gnss系统和ins系统各自的优势，提高了定位精度和抗干扰能力，使得定位系统的工作环境更加广泛，受环境的影响显著降低，在丛林和隧道中依然有良好的导航精度；在gps信号缺失时，根据之前保存的最优估计值与估计初值信息的差值(即惯导系统的误差)，进行基于最小二乘估计，然后对惯导解算的定位信息进行校正。与基于神经网络的惯导误差估计和基于粒子滤波的惯导误差等算法相比，确保精度的情况下，减少了计算量，降低了对处理芯片的性能要求。
附图说明
[0053]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
[0054]
图1是本发明提供的基于gnss和ins的组合导航方法的流程示意图；
[0055]
图2是本发明提供的基于gnss和ins的组合导航系统的结构示意图；
[0056]
图3是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0057]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
[0058]
在一个实施例中，本发明提供一种基于gnss和ins的组合导航方法，在包括步骤：
[0059]
通过gnss导航模块获取载体的第一定位信息；
[0060]
通过ins导航模块获取载体的第二定位信息；
[0061]
对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；并基于所述第一定位信息获取最优估计值；
[0062]
计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；
[0063]
若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；
[0064]
其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；
[0065]
所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息；
[0066]
需要说明的是，通过gnss导航模块获取的第一定位信息不包括角速度和角加速度在内的姿度信息，但是获取的位置信息精度较高，该位置信息是经纬度的信息；通常姿度信息用于包括而通过ins导航模块能够获取载体的位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息，但是ins模块获取的位置信息和速度等信息均为惯性参考坐标系内的信息；且惯性导航系统通常需要精确地知道在导航起始时载体的位置，进一步估算在启动之后载体发生的位置变化；
[0067]
需要说明的是，整合的导航信息应为反应载体在当前时刻和当前参考系内的位置信息和姿度信息；
[0068]
进一步，包括步骤：
[0069]
若所述gnss导航模块的gps信号正常，则输出所述最优估计值作为整合导航信息。
[0070]
进一步，包括步骤：
[0071]
从ins导航模块中获取待测物在初始时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度，应用公式：
[0072][0073][0074][0075]
其中，ae、an、au分别为待测物在东向、北向和竖直向上方向上运动的加速度；ve(t0)、vn(t0)、vu(t0)分别为所述待测物在初始时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度；ve(ts)、vn(ts)、vu(ts)分别为所述待测物在当前时刻东向、北向、和竖直向上方向的速度。
[0076]
进一步，包括步骤：
[0077]
基于所述第一定位信息获取所述载体的位置信息，获取所述载体在初始时刻的经度j0、纬度w0和高度h0，基于所述第二定位信息进一步估算所述载体当前时刻的位置信息。
[0078]
进一步，包括步骤：
[0079]
通过gnss导航模块获取所述载体在当前时刻的经度j、纬度w和高度h；基于所述第二定位信息获取所述载体在初始时刻和当前时刻内的经度变化率纬度变化率和高度变化率分别应用公式：
[0080][0081][0082][0083]
其中，rn和rm分别表示卯酉圈曲率半径和地球参考椭球模型的子午圈曲率半径；
[0084][0085][0086]
其中，re为地球半径，e为地心偏心率。
[0087]
进一步，包括步骤：
[0088]
估算所述载体在当前时刻的经度js、纬度ws和高度hs，应用公式：
[0089][0090][0091][0092]
其中，t0表示初始时刻，ts表示当前时刻,js为估算的经度，ws为估算的纬度，hs为估算的高度。
[0093]
进一步，包括步骤：
[0094]
将预处理后的所述估计初值和所述第一定位信息输入卡尔曼滤波器；通过卡尔曼滤波器获取所述最优估计值；
[0095]
具体包括：
[0096]
(1)每间隔一预定时段t
s-t0，将经过上述步骤预处理后的载体的速度、加速度、位置和姿态信息作为组合卡尔曼滤波器的状态信息；
[0097]
(2)每间隔一相同时段，将对应时刻的gps信息中的速度、位置信息作为组合卡尔曼滤波器的观测信息；
[0098]
(3)比较改状态信息和观测信息，进而输出本次位置、速度、加速度和姿态的最优估计值。
[0099]
(4)计算本次位置、速度、加速度和姿态的最优估计值与上述步骤预处理后的载体的速度、加速度、位置和姿态信息的误差值并保存。
[0100]
需要说明的是，卡尔曼滤波是一中用于消除系统所受随机干扰和误差的算法，它适用于线性、离散和有限维系统，每一个有外部变量的自回归移动平均系统(armax)或可用有理传递函数表示的系统都可以转换成用状态空间表示的系统，从而能用卡尔曼滤波进行计算；卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量，以“预测—实测—修正”的顺序递推，根据系统的量测值来消除随机干扰，再现系统的状态，或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目；通过卡尔曼滤波器可以在gps信号获取的标准位置信息的基础上消除ins模块获取的惯性导航信息的误差；
[0101]
进一步，判断gps信号：
[0102]
若gps信号一直存在，则直接输出卡尔曼滤波器获取的最优估计值作为输出的整合导航信息；
[0103]
若gps信号在过程中断开，则针对上述步骤获取的误差值进行最小二乘估计，基于最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；
[0104]
需要说明的是，最小二乘估计是一种数学优化方法，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，使得求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小；
[0105]
需要说明的是，通过校正值对所述最优估计值进行弥补，实为通过最小二乘估计获取在多个t
s-t0中累计的误差值，整合误差值的数值规律，进而在原最优估计值中的位置、速度等数据的基础上进行计算，以消除随着时间推移ins导航模块产生的误差，具体的计算过程可以通过现有技术简单得到；
[0106]
另一方面，如图2所示，本发明还提供一种基于gnss和ins的组合导航系统，下文描述的基于gnss和ins的组合导航系统与上文描述的基于gnss和ins的组合导航方法可相互对应参照，具体包括gnss导航模块、ins导航模块、预处理模块和解算模块：
[0107]
其中，gnss导航模块用于获取载体的第一定位信息；
[0108]
ins导航模块用于获取所述载体的第二定位信息；
[0109]
预处理模块用于对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；
[0110]
解算模块基于所述第一定位信息获取最优估计值；计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；
[0111]
其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；
[0112]
所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息；
[0113]
还包括自检模块，接收到定位命令后，首先判断所述gnss导航模块和所述ins导航模块是否处在正常工作状态；
[0114]
进一步采集ins导航模块和gnss导航模块的原始数据并进行预处理：
[0115]
检验所述gnss导航模块获取的第一定位信息，并删除错误数据；对ins导航模块的角速度和角加速度数据进行误差标定。
[0116]
另一方面，图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(communicationsinterface)320、存储器
(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行基于gnss和ins的组合导航方法，该方法包括：通过gnss导航模块获取载体的第一定位信息；通过ins导航模块获取载体的第二定位信息；对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；并基于所述第一定位信息获取最优估计值；计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息。
[0117]
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元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-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质；
[0118]
该电子设备通过dsp核心处理板、三组陀螺组件、卫星导航模块、上位机组成的处理板实现；其中，上位机通过can通讯对dsp处理板发送指令，dsp处理板收到指令后，程序开始运行，dsp通过spi实现对陀螺组件的角速度和角加速度读取，dsp通过sci读取卫星模块的定位信息，获得信息经过dsp算法处理后通过can发送给上位机，通过422与虚拟串口进行通讯；
[0119]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行基于gnss和ins的组合导航方法，该方法包括：通过gnss导航模块获取载体的第一定位信息；通过ins导航模块获取载体的第二定位信息；对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；并基于所述第一定位信息获取最优估计值；计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；其中，所述第一定位信息包括位置信息和速度信息；所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息。
[0120]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行基于gnss和ins的组合导航方法，该方法包括：通过gnss导航模块获取载体的第一定位信息；通过ins导航模块获取载体的第二定位信息；对所述第二定位信息进行预处理，获取估计初值；并基于所述第一定位信息获取最优估计值；计算所述最优估计值相对于所述估计初值的误差值；若所述gnss导航模块的gps信号丢失，则对所述误差值通过最小二乘估计获取校正值，将所述校正值补偿至所述最优估计值，输出校正后的所述最优估计值作为整合导航信息；其中，所述第一定位信息包括位置信
息和速度信息；所述第二定位信息包括位置信息、速度信息、加速度信息、角速度信息和角加速度信息。
[0121]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0122]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0123]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。