CN109991640A - 一种组合导航***及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种组合导航***及其定位方法，属于卫星导航技术领域。本发明的组合导航***包括GNSS解算模块、组合导航滤波器和使用传感器的辅助导航模块，其中，辅助导航模块输出相应的定位和/或定向观测量至组合导航滤波器；GNSS解算模块能够输出浮点解或单点解；组合导航***还包括对应GNSS解算模块而设置的平滑滤波器，平滑滤波器被配置为对浮点解或单点解进行平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解或平滑单点解；组合导航滤波器被配置为将接收到的平滑浮点解或平滑单点解和相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。本发明的组合导航***定位精度高、实现成本低。

Description

一种组合导航***及其定位方法
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种包括GNSS（Global NavigationSatellite System，全球导航卫星***）解算模块、组合导航滤波器和使用传感器的辅助导航模块的组合导航***及其定位方法。
背景技术
随着GNSS的定位精度的越来越高、GNSS信号覆盖的范围越广，越来越多的导航***终端被广泛应用于例如车辆、无人机等移动载体中，帮助该载体进行定位与导航。并且，卫星导航领域不断地致力于提高导航***终端的定位和/或定向性能，特别是在导航***终端接收的GNSS信号质量不佳、或失锁等情况下的定位和/或定向精度、可用性和连续性。
现有的导航定位技术中，包括例如有RTK（Real-time Kinematic，实时动态差分）定位技术和GNSS/INS组合导航技术。但是，使用这些定位技术的导航***在工作于浮点模式或伪距单点定位模式下的定位精度均存在改善的空间；并且，在GNSS信号失锁的情况下，使用GNSS/INS组合导航技术的导航精度较差；同时，使用GNSS/INS组合导航技术的导航***对INS中采用的惯性传感器的性能要求高。
发明内容
为解决以上问题的至少一方面或其他问题，本发明提供以下技术方案。
按照本发明的一方面，提供一种组合导航***，包括GNSS解算模块、组合导航滤波器和使用传感器的辅助导航模块，其中，所述辅助导航模块输出相应的定位和/或定向观测量至所述组合导航滤波器；所述GNSS解算模块能够输出浮点解或单点解，所述组合导航***还包括：
对应所述GNSS解算模块而设置的平滑滤波器，其中，所述平滑滤波器被配置为对所述浮点解或单点解进行平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解或平滑单点解；
其中，所述组合导航滤波器被配置为将接收到的所述平滑浮点解或平滑单点解和相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
按照本发明的又一方面，本发明提供一种OEM板卡，该板卡搭载前述组合导航***。
按照本发明的再一方面，本发明还提供一种接收机，该接收机包括前述的OEM板卡。
按照本发明的还一方面，提供一种组合导航***的定位方法，其包括步骤：
接收卫星信号；
根据接收到的所述卫星信号的质量解算得到浮点解或者单点解；
对浮点解或单点解进行平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解或平滑单点解；以及
将得到的所述平滑浮点解或平滑单点解和相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
按照本发明的再一方面，提供一种计算机设备，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，其中，所述处理器执行所述程序时实现上述定位方法的步骤。
按照本发明的再一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行以实现上述定位方法的步骤。
根据以下描述和附图本发明的以上特征和操作将变得更加显而易见。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是按照本发明一实施例的组合导航***的模块结构示意图。
图2是图1所示实施例的组合导航***的工作原理示意图。
图3是使用RTK定位技术的导航***的性能示意图。
图4是使用平滑定位技术的导航***的性能示意图。
图5是现有的GNSS/INS组合导航***的性能示意图。
图6是为图1所示实施例的组合导航***的性能示意图。
具体实施方式
现在将参照附图更加完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可按照很多不同的形式实现，并且不应该被理解为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开变得彻底和完整，并将本发明的构思完全传递给本领域技术人员。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同处理装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本发明实施例中，组合导航***一方面使用GNSS信号并对其进行解算以获得用于定位的相应的解（solution），另一方面使用辅助导航模块输出相应的定位和/或定向观测量，该定位和/或定向观测量可以与所述解一起被组合滤波处理后获得相应的解来实现定位。其中，辅助导航模块可以使用例如加速度传感器、速度传感器、雷达传感器等各种类型的传感器来实时地感测组合导航***或装配有组合导航***的载体（例如车辆、无人机等）的、可以作为定位和/或定向变量的各种类型的运动数据（加速度、速度等），这些数据可以被处理来获得相应的定位和/或定向观测量（例如惯导解）。将理解，定位和/或定向观测量增加了组合导航滤波器的输入量，有利于提高定位精度，特别是在导航***终端接收的GNSS信号数量少、质量不佳或失锁等情况下。
在以下实施例的描述中，以辅助导航模块为INS（惯性导航***）为示例说明本发明的组合导航***及其定位方法的原理；相应的，INS输出的定位和/或定向观测量为惯导解。
图1所示为按照本发明一实施例的组合导航***的模块结构示意图。如图1所示，组合导航***10在该实施例中为GNSS/INS组合导航***，其包括GNSS解算模块100、INS200和组合导航滤波器300。GNSS解算模块100和INS 200可以并行地同时工作。其中，INS200作为一种辅助导航模块，其能够输出相应的惯导解220a作为相应的定位和/或定向观测量。
在一实施例中，INS 200中设置有惯性测量单元（IMU）210，其内部可以设置有用于实时地采集组合导航***10的加速度和/或角速度信息的惯性传感器，例如，加速度传感器、角速度传感器等，从而惯性测量单元210可以至少输出组合导航***10或其载体的加速度和/或角速度信息210a。惯性测量单元210的具体类型不是限制性的。
在一实施例中，INS 200中还设置有捷联机械编排单元220。捷联机械编排单元220可以利用惯性测量单元210输出的加速度和/或角速度信息210a计算组合导航***10或装配有该组合导航***10的载体的惯导解220a。惯导解220a可以包含位置、速度和姿态等用于定位的各种变量（即定位和/或定向变量）信息。捷联机械编排单元220输出的惯导解220a能够作为定位和/或定向观测量输入到组合导航滤波器300中。
继续如图1所示，组合导航***10配置有天线101，其用来实时地接收GNSS信号101a。需要理解的是，天线101接收的GNSS信号101a与其所处的环境、位置等诸多因素有关，例如组合导航***10旁边的树木、楼宇等环境条件会影响接收的GNSS信号101a的质量，还例如在相对空旷的环境能够接收到相对较多且信号强度较好的GNSS信号101a。在失锁的情况下，天线101接收到的GNSS信号101a例如在数量上小于预定值且信号质量较差。
需要说明的是，组合导航***10通过天线101或其他部件，还可以接收其他信号，例如，接收来自基准站的差分数据（图1中未示出）。
天线101接收的GNSS信号101a可以传输至GNSS解算模块100，同样地，根据需要，天线101接收的其他信号（例如来自基准站的差分数据）的一种或多种也可以传输至GNSS解算模块100。
GNSS解算模块100的GNSS信号处理单元110用于对GNSS信号101a进行信号处理。例如，GNSS信号处理单元110包括射频前端处理模块和基带数字信号处理模块。射频前端处理模块处理天线101接收的GNSS信号101a，经过前置滤波器和前置放大器的滤波放大处理后，再与本地振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频到中频信号，最后经过A/D转换器将中频信号转变成离散时间的数字中频信号。基带数字信号处理模块通过处理射频前端所输出的数字中频信号，复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，从而实现对GNSS信号101a的捕获与跟踪，并从中得到伪距和载波相位等测量值以及解调出导航电文。基带数字信号处理模块通常表现为硬件和软件的结合，载波解调和C/A码解扩通常是由ASIC硬件形式的数字信号处理器来完成，而在微处理器中运行的信号跟踪环路控制软件通过计算来调节数字信处理器的各种操作。关于GNSS信号处理单元110的相关介绍，也可以参见谢钢编著的《GPS原理与接收机设计》（电子工业出版社2009年7月）237页至238页。
在一实施例中，GNSS解算模块100可操作地工作于三种模式来实现基于GNSS信号的定位，即固定解模式、浮点解模式和伪距单点定位模式，相应的，GNSS解算模块100中设置有模式切换单元120、固定解单元121、浮点解单元122和单点定位单元123。
其中，所述固定解单元121用于在GNSS解算模块100工作于固定解模式时输出相应的固定解121a。固定解模式在实现过程中，需要固定载波相位中的整周模糊度来得到相应的固定解121a。模式切换单元120根据信号质量来切换工作单元，比如可以根据当前的伪距载波星历信息110a是否能够实现整周模糊度固定来实现切换，如果能使得整周模糊度固定成功，则切换至固定解单元121并工作于固定解模式，输出固定解121a。
如果使得整周模糊度固定不成功或无法固定，模式切换单元120发出控制信号可以从固定解单元121切换至浮点解单元122并工作于浮点解模式，输出浮点解122a；在不满足RTK解算条件的情况下，模式切换单元120产生控制信号以切换至单点定位单元123并工作于伪距单点定位模式，输出单点解123a。
进一步，如果能够接收到基准站差分数据，模式切换单元120优先切换到定位精度相对更高的浮点解模式或者比浮点解模式精度更高的固定解模式，如果无法接收到基准站差分数据，模式切换单元120才控制切换到定位精度相对较低的伪距单点定位模式。也就是说，在不满足固定解模式和浮点解模式下所采用的RTK解算条件时，模式切换单元120控制切换至单点定位单元123并工作于伪距单点定位模式。单点定位单元123在GNSS解算模块100工作于伪距单点定位模式时输出相应的单点解123a。此外，在上述三种模式均不能工作的情况下，GNSS解算模块100输出无效解。
需要说明的是，在接收的GNSS信号101a的数量、质量动态变化的情况下，或者在组合导航***10或者其载体所处的环境动态变化的情况下，模式切换单元120可以根据以上切换判断条件动态地切换。
需要说明的是，由于在浮点解模式和伪距单点定位模式下使用的伪距观测量误差较大（例如噪声、多路径误差等），如果直接采用浮点解122a或单点解123a进行定位，最终的定位结果往往精度较低、波动较大（相对固定解的定位结果而言）。图3示意说明了使用已有的RTK定位技术时浮点解模式和伪距单点定位模式下的性能，在图3中，横轴表示时间t，其中t0、t1、t2和t3表示不同的定位时刻。可以看到，直接采用浮点解或单点解进行定位时，相对固定解121a的定位结果，其均方根（RMS）误差为ΔA，该误差较大。这种定位模式的最优精度为ΔA1。
继续如图1所示，对应GNSS解算模块100还设置有平滑滤波器130，平滑滤波器130可以包括在如图1所示的GNSS解算模块100中，是GNSS解算模块的一部分，在其他实施例中，平滑滤波器130也可以设置在GNSS解算模块100之外而不属于GNSS解算模块100的一部分。在平滑滤波器130的输入端可以设置切换开关125，切换开关125可以通过硬件或软件的方式实现。在模式切换单元120控制切换至浮点解模式时，浮点解单元122输出浮点解122a，同步地，切换开关125接通浮点解122a所在通路，从而将浮点解122a输入至平滑滤波器130进行平滑滤波处理；在模式切换单元120控制切换至伪距单点定位模式时，单点定位单元123输出单点解123a，同步地，切换开关125接通单点解123a所在通路，从而将单点解123a输入至平滑滤波器130进行平滑滤波处理。
其中，平滑滤波器130被配置为对接收的浮点解122a或单点解123a进行相应的平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解132a或平滑单点解133a。平滑浮点解132a相对未经过平滑处理的浮点解122a可以得到更为平滑的定位结果，同样地，平滑单点解133a相对未经过平滑处理的单点解123a可以得到更为平滑的定位结果。将理解，平滑滤波器130所采用的平滑滤波方法或算法不是限制性的。
需要说明的是，如果直接采用平滑浮点解132a或平滑单点解133a进行定位（在没有固定解121a作为定位结果的情况下），虽然可以改善伪距单点定位或者浮点解的定位精度，提供相对准确且平滑（单点解和浮点解的噪声大幅下降）的浮点解定位结果或单点定位结果，但是，申请人发现其也存相应的不足。图4示意说明了使用平滑定位技术时浮点解模式和伪距单点定位模式下的性能，在图4中，横轴表示时间t，其中t0、t1、t2和t3表示不同的定位时刻。如图4所示，当GNSS信号失锁时，平滑技术无有效的输入信号，所以，无法实现RTK解算（如图4虚线所示），因此，无法提供连续的位置和速度信息（图3所示存在同样的不足）；并且，直接采用平滑浮点解132a或平滑单点解133a进行定位时，相对固定解121a的定位结果，其RMS误差达到ΔB，定位精度同样存在不足。由于平滑单点解与对应的单点解RMS误差基本相当，且平滑浮点解与对应的浮点解RMS误差基本相当，因此，通常情况ΔB ≈ ΔA，其最优精度ΔB1 ≈ ΔA1。
继续如图1所示，组合导航***10还设置有组合导航滤波器300。在组合导航滤波器300的对应连接GNSS解算模块100的输入端，可以设置切换开关131。切换开关131可以通过硬件或者软件实现。在模式切换单元120控制切换至固定解模式时，固定解单元121输出固定解121a，同步地，切换开关131接通固定解121a所在通路，从而将固定解121a输入至组合导航滤波器300；在模式切换单元120控制切换至浮点解模式或伪距单点定位模式时，平滑滤波器130输出平滑浮点解132a或平滑单点解133a，同步地，切换开关131接通平滑滤波器130的输出端，从而将平滑浮点解132a或平滑单点解133a输入至组合导航滤波器300。
组合导航滤波器300还接入从INS 200输出的惯导解220a，从而将接收到的各种模式下的相应解和各种模式下接收到的相应惯导解220a进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a。
其中，定位和/或定向变量误差估计值301a被提供至组合导航滤波器300的组合单元310，与惯导解220a进行组合处理，从而得到组合后的解。
其中，传感器误差估计值302a被反馈至INS 200。INS 200基于已经获得的传感器误差估计值302a，对惯性测量单元210中的传感器的当前输出量（例如加速度和/或角速度信息）进行修正处理，得到修正后的加速度和/或角速度信息；相应地，捷联机械编排单元220是基于修正后的加速度和/或角速度信息进行处理以获得更为准确的修正后的惯导解220a，此种情况下，组合导航滤波器300采用该修正后的惯导解与接收到相应的固定解、平滑浮点解或平滑单点解进行组合，由于加速度和/角速度（定位和/或定向观测量）经过修正，所以，最终的定位结果更为准确，可以提高定位精度。
尤其地，在GNSS解算模块100工作于浮点解模式的情况下，组合导航滤波器300还被配置为：基于对应于平滑浮点解132a的定位和/或定向变量误差估计值301a（例如位置、速度和姿态误差估计值）和接收到的定位和/或定向观测量（例如惯导解220a）计算得到相应的组合平滑浮点解312。
由于组合导航滤波器300在浮点解模式下是采用平滑浮点解132a（而不是简单地采用未经平滑处理的浮点解122a）和惯导解220a进行组合滤波处理，因此，得到的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a将更准确。一方面，准确的定位和/或定向变量误差估计值301a进一步与惯导解220a组合时，得到的组合平滑浮点解312的定位精度更高；另一方面，相对准确的传感器误差估计值302a将反馈至INS 200来修正其中使用的传感器的误差，从而INS 200输出的惯导解220a被修正得更为准确，使用该修正后的惯导解220a进行组合滤波处理或组合处理时，进一步能提高定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a的准确度，也能进一步提高组合平滑浮点解312的准确度。因此，可以显著提高在浮点解模式下的定位精度。
尤其地，在GNSS解算模块100工作于伪距单点定位模式的情况下，组合导航滤波器300还被配置为：基于对应于平滑单点解133a的定位和/或定向变量误差估计值301a（例如位置、速度和姿态误差估计值）和在此模式下接收到的定位和/或定向观测量（例如惯导解220a）计算得到相应的组合平滑单点解313。
同样地，由于组合导航滤波器300在伪距单点定位模式下是采用平滑单点解133a（而不是简单地采用未经平滑处理的单点解123a）和惯导解220a进行组合滤波处理，得到的相应的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a将更准确。一方面，准确的定位和/或定向变量误差估计值301a进一步与惯导解220a组合时，得到的组合平滑单点解313的定位精度更高；另一方面，准确的传感器误差估计值302a将反馈至INS 200来修正其中使用的传感器的误差，从而INS 200输出的惯导解220a更为准确，使用该惯导解220a进行组合滤波处理或组合处理时，进一步能提高定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a的准确度，也能进一步提高组合平滑单点解313的准确度。因此，可以显著提高在伪距单点定位模式下的定位精度。
需要说明的是，组合导航滤波器300还可以输入其他信息来进行组合滤波处理，例如，组合导航***的载体的状态信息（例如车载状态信息等）可以输入至组合导航滤波器300，从而帮助提高定位精度，尤其是在固定解模式以外的模式下。组合导航滤波器300具体例如可以为卡尔曼滤波器，其具体类型或其采用组合滤波处理算法并不是限制性的。
在一实施例中，组合导航滤波器300和平滑滤波器130的组合应用，还可以提高在失锁的情况下的定位精度。其中，GNSS解算模块100被配置为在失锁的情况下无有效输出，例如，输出无效解124a（如图2所示）至组合导航滤波器300。相应地，组合导航滤波器300还被配置为在失锁的情况下将接收到的来自INS 200的惯导解220a和在失锁之前已经获得的定位和/或定向变量误差估计值301a计算得到组合校正后的惯导解314（如图2所示）。需要理解的是，该已经获得的定位和/或定向变量误差估计值301a可以是在失锁前的浮点解模式下、伪距单点定位模式下获得。由于是基于平滑浮点解132a或平滑单点解133a得到，该误差估计值的准确度高，并且，其准确度在失锁后的一定时间内仍然能够保持。因此，浮点解模式下或伪距单点定位模式下获得的定位和/或定向变量误差估计值301a可以在失锁的情况下继续使用（也就是作为在失锁状态下的初值），该定位和/或定向变量误差估计值301a与INS 200此时输出的惯导解220a进行组合得到的组合校正后的惯导解314a的精度能够得到保证。
在一实施例中，INS 200还被配置为：基于在失锁之前已经获得的传感器误差估计值302a作为初值来对在失锁的情况下惯性测量单元210的当前输出量（例如加速度和/或角速度信息210a）进行修正处理，以获得对应于在失锁的情况下的修正后的惯导解220a。组合导航滤波器300的组合单元310进行组合时，使用的在失锁的情况下将接收到的来自INS200的惯导解220a可以是该修正的惯导解220a，从而可以进一步提高组合校正后的惯导解314a的精度。
当然，如果在失锁之前GNSS解算模块100工作于固定解模式，在失锁时使用的已经获得的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a是在失锁前的固定解模式下获得，其准确度更高。
在一实施例中，组合导航滤波器300被配置为在初始状态下将接收到的固定解121a和接收到的惯导解220a进行组合滤波处理以获得相应的初始的定位和/或定向变量误差估计值301a和初始的传感器误差估计值302a。也就是说，在初始状态下，通常使用固定解模式下的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a作为初始误差估计值，准确度高，当然，技术人员也能理解，初始状态也可以使用浮点解模式或者伪距单点定位模式的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a。将理解，在组合导航***10的工作过程中，定位和/或定向变量误差估计值301a和初始的传感器误差估计值302a在不同模式或在同一模式下是可以动态变化的。
以下进一步结合图1和图2说明本发明实施例的组合导航***10在各种模式下的工作原理并示例说明其定位方法。在图2中，虚线箭头表示可选的工作模式下对应的可选方法过程。
在组合导航***10或其载体移动的过程中，组合导航***10的天线101可以持续接收GNSS信号101a并将其传输至GNSS信号处理单元110；然后，GNSS解算模块100对经过GNSS信号处理单元110处理的GNSS信号101a进行解算处理。GNSS解算模块100主要依赖于工作环境和信号质量的不同而选择工作模式。在不同工作模式下，GNSS解算模块100可以解算输出不同的解；其中，工作于固定解模式下输出固定解121a；工作于浮点解模式下输出浮点解122a；工作于伪距单点定位模式下输出单点解123a。当然，在GNSS信号101a失锁的情况下，GNSS解算模块100输出无效解124a。
在组合导航***10或其载体移动的过程中，INS 200同时与GNSS解算模块100并行工作，其中，惯性测量单元210获取加速度和/或角速度信息210a，捷联机械编排单元220基于加速度和/或角速度信息210a输出相应的惯导解220a。
本发明实施例的组合导航***的工作过程如下：
在整周模糊度固定成功的情况下，也即GNSS解算模块100工作于固定解模式的情况，固定解单元121输出固定解121a。组合导航滤波器300接收该固定解121a，将该固定解121a与INS 200输出的惯导解220a进行组合滤波，从而输出位置、速度和姿态误差估计值，即定位和/或定向变量误差估计值301a（如图2所示）。位置、速度和姿态误差估计值301a再与INS200输出的惯导解220a组合得到组合固定解311。同时，组合导航滤波器300输出惯性传感器误差估计值，即传感器误差估计值302a，其被反馈至INS 200，可以用来修正惯性测量单元210的惯性传感器（其作为惯性导航器件）的误差，例如，基于传感器误差估计值302a修正加速度和/或角速度信息210a，捷联机械编排单元220可以基于修正后的加速度和/或角速度信息210a 进行处理，从而输出修正后的惯导解220a。修正后的惯导解220a可以继续作为组合导航滤波器300的输入。组合固定解311可以作为在固定解模式下的定位结果输出，定位精度高，例如，可以达到厘米级。在该实施例中，组合导航滤波器300的具体设计可以参考以下文献：“GPS and Inertial Integration” in Parkinson, B.W., editor, GlobalPositioning System: Theory and Application, Volume 2, pp. 187-220, AmericanInstitute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC；该文献在此以全文引用的方式包含于本申请中。
继续如图2所示，在整周模糊度固定失败的情况下，GNSS解算模块100可以工作在浮点解模式。浮点解单元122输出浮点解122a。平滑滤波器130对该浮点解122a进行平滑滤波处理后，输出平滑浮点解132a。组合导航滤波器300接收该平滑浮点解132a，然后将平滑浮点解132a与INS 200输出的惯导解220a进行组合滤波处理，输出相应的位置、速度和姿态误差估计值301a（如图2所示）。该位置、速度和姿态误差估计值301a再与惯导解220a组合得到组合平滑浮点解312。同时，组合导航滤波器300输出相应的惯性传感器误差估计值，即传感器误差估计值302a，其被反馈至INS 200，可以用来修正惯性测量单元210的惯性传感器（其作为惯性导航器件）的误差，例如，基于传感器误差估计值302a修正加速度和/或角速度信息210a，捷联机械编排单元220可以基于修正后的加速度和/或角速度信息210a 进行处理，从而输出修正后的惯导解220a。修正后的惯导解220a可以继续作为组合导航滤波器300的输入。组合平滑浮点解312可以作为在浮点解模式下的定位结果输出，定位精度得到提高。在该实施例中，平滑滤波器130的设计可以参考文献：Groves, D.Paul.(2008)."Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems."pp 90-92, ARTECH HOUSE Press；和文献：Kaplan D. Elliott, Christopher J.Hegarty. (2006). “Understanding GPS Principles and Applications, secondedition.”pp 407-409, ARTECH HOUSE Press。这些文献在此以全文引用的方式包含于本申请中。
继续如图2所示，在不满足RTK解算条件时（即在固定解模式和浮点解模式无法工作时），GNSS解算模块100工作在伪距单点定位模式。单点定位单元123输出单点解123a。平滑滤波器130对该单点解123a进行平滑滤波处理后，输出平滑单点解133a。组合导航滤波器300接收该平滑单点解133a，然后将平滑单点解133a与INS 200输出的惯导解220a进行组合滤波处理，输出相应的位置、速度和姿态误差估计值301a（其作为定位和/或定向变量误差估计值的具体一种，如图2所示）。该位置、速度和姿态误差估计值301a再与惯导解220a组合得到组合平滑单点解313。同时，组合导航滤波器300输出相应的惯性传感器误差估计值，即传感器误差估计值302a，其被反馈至INS 200，可以用来修正惯性测量单元210的惯性传感器（其作为惯性导航器件）的误差，例如，基于传感器误差估计值302a修正加速度和/或角速度信息210a，捷联机械编排单元220可以基于修正后的加速度和/或角速度信息210a 进行处理，从而输出修正后的惯导解220a。修正后的惯导解220a可以继续作为组合导航滤波器300的输入。组合平滑单点解313可以作为在伪距单点定位模式下的定位结果输出，定位精度得到提高。
继续如图2所示，在GNSS信号101a失锁的情况下，GNSS解算模块100输出无效解，此时以无效解124a表示，INS 200此时输出惯导解220a，组合导航滤波器300存储有或输出在失锁之前获得的作为定位和/或定向变量误差估计值的位置、速度和姿态误差估计值301a，该位置、速度和姿态误差估计值301a再与惯导解220a组合得到组合校正后的惯导解314。组合校正后的惯导解314可以作为在失锁情况下的定位结果输出。
为帮助理解以上实施例的组合导航***10及其定位方法的优点或效果，结合传统的GNSS/INS松组合导航***进行说明。已有的GNSS/INS松组合导航***在浮点模式下浮点解单元输出的浮点解直接输入至组合导航滤波器，在组合导航滤波器中与来自INS的惯导解进行组合滤波处理，最后输出组合浮点解；在伪距单点定位模式下单点解单元输出的单点解直接输入至组合导航滤波器，在组合导航滤波器中与来自INS的惯导解进行组合滤波处理，最后输出组合单点解；在失锁的情况下，组合导航滤波器输出组合惯导解。
传统的GNSS/INS松组合导航***虽然可以利用INS输出的加速度和角速度估计载体的位置、速度和姿态，能够连续输出定位结果，从而解决卫星信号失锁问题。在卫星信号失锁的情况下，GNSS解算模块无有效输出，GNSS/INS松组合导航***的位置、速度和姿态精度主要依赖于惯性导航的精度（例如依赖于INS中的惯性测量传感器的精度），由于INS会随时间增加会累计误差，所以，GNSS/INS松组合导航***的定位精度不高，特别是在卫星信号失锁时间较长的情况下。针对不同的卫星信号失锁时间，在采用不同性能的惯性传感器的情况下，捷联机械编排单元推算的误差会有所不同，例如，针对10秒卫星信号失锁时间、使用0.07deg/s误差的MEMS IMU，位置误差可以达到50厘米左右。因此，现有的GNSS/INS松组合导航***依赖于高性能、高成本的INS来解决或减轻在失锁情况下的定位精度低的问题。
更具体而言，本实施例的图5以卫星信号短时间失锁（<5秒）为例，示意了传统GNSS/INS松组合导航***的性能，在图5中，横轴表示时间t，其中t0、t1、t2和t3表示不同的定位时刻。当GNSS信号失锁后，组合导航***输出组合惯导解，其RMS误差为ΔC2。当GNSS恢复到单点解或浮点解时，组合导航***将输出与惯导组合后的单点解和浮点解，其RMS误差为ΔC，最优精度为ΔC1。在GNSS信号从失锁恢复到单点解或浮点解的时刻（图5中t2时刻），传统的组合导航***滤波器无法判断：失锁状态下组合惯导解与当前时刻GNSS单点解或浮点解哪一种解的精度更高，或者说哪种解的精度更可信。这一模糊状态使得组合导航***输出的RMS误差ΔC仍处于ΔA与ΔB相当的级别，即：ΔC ≈ ΔB ≈ ΔA。同时，其最优精度ΔC1 ≈ ΔB1 ≈ ΔA1。
除此之外，传统的GNSS/INS松组合导航***还存在浮点解模式或者伪距单点定位模式下定位精度不够高的缺点，这是由于：
（1）在整周模糊度固定失败的情况下，GNSS解算模块从固定解模式切换至浮点解模式或者伪距单点定位模式，由于浮点解和单点解的精度都不高，导致GNSS/INS松组合导航***输出的组合浮点解或者组合单点解的定位精度不高；
（2）在长时间没有接收到基准站的差分数据的情况下，将伪距单点定位模式下输出的单点解与INS输出的惯导解做差得到位置、速度和姿态误差估计值，将该误差估计值与INS输出的惯导解组合得到最终的解算结果。由于伪距单点定位模式的定位精度不高，所以，传统的GNSS/INS松组合导航***输出的组合单点解的定位精度不高。
图6所示为图1所示实施例的组合导航***的性能示意图，在图6中，横轴表示时间t，其中t0、t1、t2和t3表示不同的定位时刻。以下通过比对图3、图4、图5和图6说明本发明组合导航***的性能。
在浮点解模式下，GNSS解算模块100可以解算得到浮点解122a。平滑滤波器能够对浮点解122a进行平滑处理，得到平滑浮点解132a。组合导航滤波器300将平滑浮点解132a与惯导解220a进行组合滤波处理，得到作为定位和/或定向变量误差估计值的位置、速度和姿态误差估计值301a。该位置、速度和姿态误差估计值301a与INS 200输出的惯导解220a组合得到组合平滑浮点解312。由于组合导航滤波器300在浮点解模式下是采用平滑浮点解132a（而不是如已有的GNSS/INS组合导航***简单地采用浮点解122a）和惯导解220a进行组合滤波处理，得到的相应的作为定位和/或定向变量误差估计值的位置、速度和姿态误差估计值301a，同时得到的传感器误差估计值302a也将更准确。所以，一方面，基于准确的位置、速度和姿态误差估计值301a组合得到的组合平滑浮点解312的定位精度更高；另一方面，基于准确的传感器误差估计值302a可以修正得到更高精度的惯导解220a，从而也有利于提高组合平滑浮点解312的定位精度。具体而言，图6中所示的在浮点解模式下偏离固定解的RMS误差∆D明显小于如图3所示的∆A、如图4所示的∆B和如图5所示的∆C，即∆D << ΔC ≈ ΔB ≈ ΔA。同时，其最优精度∆D1 < ΔC1 ≈ ΔB1 ≈ ΔA1。
在伪距单点定位模式下，基于以上浮点解模式下类似的说明，可以大大提高定位精度（也就是组合平滑浮点解313的定位精度高）。图6中所示的在伪距单点定位模式下得到的组合平滑单点解偏离固定解的RMS误差∆D明显小于如图3所示的∆A、如图4所示的∆B和如图5所示的∆C，即∆D << ΔC ≈ ΔB ≈ ΔA。同时，其最优精度∆D1 < ΔC1 ≈ ΔB1≈ ΔA1。
在卫星信号失锁的情况下，组合导航***10的GNSS解算模块100无有效输出，INS200输出惯导解220a，惯导解220a经过组合导航滤波器300处理得到组合校正后的惯导解314。由于GNSS信号101a在失锁前，平滑滤波器130已经对单点解123a或者浮点解122a进行平滑处理，使得组合导航滤波器300得到相应的作为定位和/或定向变量误差估计值的位置、速度和姿态误差估计值301a和传感器误差估计值302a精度或准确度高，即使当GNSS信号101a失锁后，这些位置、速度和姿态误差估计值301a和传感器误差估计值302a的精度在一定时间内仍然得以保持，因此，在失锁情况下，该传感器误差估计值302a用于修正惯性测量单元210的当前输出量而INS 200输出的所述惯导解220a更为精确，该位置、速度和姿态误差估计值301a与更高精度的惯导解220a组合时，得到的组合校正后的惯导解314相对于已有的组合方式精度更高。当然，技术人员也可以理解，如果仅采用更高精度的所述位置、速度和姿态误差估计值301a与未经修正的惯导解220a组合，得到的组合校正后的惯导解314a的精度也较已有的组合的精度高，只是没有与采用修正后的惯导解220a的精度高而已。具体而言，参见图6，在卫星信号失锁的情况下，组合导航***不但可以获得连续的位置和速度信息，而且偏离固定解的RMS误差∆D2较小，即∆D2 < ∆C2。同时，GNSS信号短时失锁的情况下，尤其是当失锁时间只有1~3s时（比如1s、1.1s、1.2s、1.5s、2s、2.1s、2.2s、2.5s、3s），∆D2 < ∆B。因此，当GNSS恢复到平滑单点解或平滑浮点解的时刻（图6中t2时刻），组合导航滤波器300将以t2时刻的组合校正后的惯导解作为初始值，并使用平滑单点解或平滑浮点解作为组合观测量得到最终的最优输出，其RMS误差∆D ≈ ∆D2，最优精度∆D1 < ΔC1。
需要说明的是，本发明以上实施例的组合导航***10虽然是以GNSS卫星信号短时失锁为例说明的本发明的优点，但本发明并不仅限于GNSS卫星信号短时失锁的情况，比如，本发明也适用于GNSS卫星信号长时间失锁的情况，配以相应精度等级的IMU，其优点与短时间失锁类似，不再叙述。
更为详细的分析本发明的优点如下：
首先，在技术上，本发明实施例的组合导航***10通过平滑滤波器130与组合导航滤波器300的结合，将平滑解引入组合导航滤波器300进行组合滤波处理。相对于传统的组合导航滤波器，本发明的组合导航滤波器引入了除固定解之外精度更高的观测量，组合导航滤波器的处理过程增加了新的运算状态。这意味着最高精度解（固定解）与低精度解（例如浮点解、单点解）之间的误差范围大幅减小，这将提高组合导航***10输出的各种解的稳定性。
其次，从***层面来看，传统的GNSS与INS的组合方式中，会根据GNSS定位精度在INS中选择精度相匹配的惯性测量传感器，也就是说，高精度GNSS解算模块通常需要与价格高昂的高性能惯性测量单元进行组合。本发明在GNSS/INS组合***中引入平滑滤波器的设计方案，可以获得较高准确度的传感器误差估计值302a，并将其反馈给INS对惯导解220a进行修正，这有利于在GNSS信号失锁时组合校正后的惯导解保持更好的精度水平。此外，在确保定位精度的前提下，这也降低了高精度GNSS解算模块与INS组合形成组合导航***时对INS的惯性传感器的性能要求，有利于降低组合导航***10的成本，也为模块化的高集成高精度GNSS/INS组合导航***提供了有效的解决方案。
需要说明的是，本发明以上实施例的组合导航***10可以应用于车辆、无人机等各种可移动载体上，其具体应用不是限制性的。
需要说明的是，定位和/或定向变量误差估计值301a中的“定位和/或定向变量”并不限于为位置、速度和姿态，定位和/或定向变量可以包括位置，还包括速度和姿态的至少一个，也还可以包括其他类型的可以用于定位或导航的参数变量。
将理解，在以其他类型的辅助导航模块（例如里程计、雷达或者视觉传感器等）替换图1所示实施例的INS时，其输出的定位和/或定向观测量也将由惯导解220a变化为相应类型的解，该解在组合导航滤波器300与GNSS解算模块100输出的平滑解进行组合滤波处理后，同样能够输出相应的更为准确的定位和/或定向变量误差估计值301a和传感器误差估计值302a，并且，该定位和/或定向变量误差估计值301a可以与辅助导航模块输出的解进行组合，传感器误差估计值302a可以反馈至辅助导航模块来修正辅助导航模块输出的解。因此，同样，具有定位精度高、实现成本低的优点。
如本领域的技术人员将理解，本发明的方面可体现为***、方法或计算机程序产品。因此，本发明的方面可采用以下形式：全硬件实施方案、全软件实施方案(包括固件、常驻软件、微码等)，或者在本文中一般可全部被称为“服务”、“电路”、“电路***”、“模块”和/或“处理***”的组合了软件和硬件方面的实施方案。此外，本发明的方面可采用体现在其上实施有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。
可使用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电子、磁性、光学、电磁、红外线或半导体***、设备或装置，或者上述项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体实例(非详尽列表)将包括下列项：具有一根或多根电线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储装置、磁性存储装置，或者上述项的任何合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可含有或存储用于由指令执行***、设备或装置使用或者与之结合使用的任何有形介质。
体现在计算机可读介质上的程序代码和/或可执行指令可使用任何适当的介质进行传输，包括但不限于，无线、有线、光纤电缆、RF等，或者上述项的任何合适的组合。
用于实施本发明的方面的操作的计算机程序代码可采用一个或多个编程语言的任何组合进行编写，包括面向对象的编程语言，诸如，Java、Smalltalk、C++等，以及传统程序编程语言，诸如，“C”编程语言或类似的编程语言。程序代码可完全在用户的计算机(装置)上执行、部分在用户的计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户的计算机上执行并且部分在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形下，远程计算机可通过包括局域网(LAN)或广域网(WAN)在内的任何类型的网络连接到用户的计算机，或者可连接到外部计算机(例如，使用互联网服务提供商通过互联网进行连接)。
计算机程序指令可提供到通用计算机的处理器、专用计算机的处理器，诸如，图像处理器或其他可编程数据处理设备以生产机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理设备执行的指令创建用于实施流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的方式。
计算机程序指令也可加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他装置上，以致使在计算机、其他可编程设备或其他装置上执行一系列操作步骤，以便产生计算机实施的过程，使得在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实施本文中指定的功能和动作的过程。
还应该注意在一些备选实现中，框中所示的功能/操作可以不按流程图所示的次序来发生。例如，依次示出的两个框实际可以基本同时地执行或这些框有时可以按逆序执行，具体取决于所涉及的功能/操作。虽然示出、公开和要求了特定步骤顺序，但应了解步骤可以任何次序实施、分离或组合，除非另外指明，且仍将受益于本公开。
本说明书使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或***以及执行任何所涵盖的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括本领域的技术人员想出的其他实例。如果此类其他实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言并无实质差别的等效结构元件，那么它们意图在权利要求书的范围内。

Claims (27)

1.一种组合导航***，包括GNSS解算模块、组合导航滤波器和使用传感器的辅助导航模块，其中，所述辅助导航模块输出相应的定位和/或定向观测量至所述组合导航滤波器；所述GNSS解算模块能够输出浮点解或单点解；其特征在于，所述组合导航***还包括：
对应所述GNSS解算模块而设置的平滑滤波器，其中，所述平滑滤波器被配置为对所述浮点解或单点解进行平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解或平滑单点解；
其中，所述组合导航滤波器被配置为将接收到的所述平滑浮点解、平滑单点解和相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
2.如权利要求1所述的组合导航***，其特征在于，所述组合导航滤波器还被配置为：
基于对应于所述平滑浮点解的所述定位和/或定向变量误差估计值和相应接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合平滑浮点解，和/或
基于对应于所述平滑单点解的所述定位和/或定向变量误差估计值和相应接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合平滑单点解。
3.如权利要求1所述的组合导航***，其特征在于，所述辅助导航模块还被配置为：
基于已经获得的所述传感器误差估计值对所述传感器的当前输出量进行修正处理以获得修正后的定位和/或定向观测量，该修正后的定位和/或定向观测量作为所述相应接收到的定位和/定向观测量。
4.如权利要求1至3中任一所述的组合导航***，其特征在于，所述定位和/或定向变量误差估计值为位置、速度和姿态误差估计值。
5.如权利要求1至3中任一所述的组合导航***，其特征在于，所述辅助导航模块为惯性导航***，所述定位和/或定向观测量包括所述惯性导航***输出的惯导解。
6.如权利要求5所述的组合导航***，其特征在于，所述惯性导航***包括：
配置有所述传感器的惯性测量单元，其用于至少输出加速度和/或角速度信息；和
捷联机械编排单元，其用于基于修正后的加速度和/或角速度信息进行处理以获得相应的所述惯导解，其中，修正后的加速度和/或角速度信息是基于已经获得的所述传感器误差估计值对所述加速度和/或角速度信息修正处理得到。
7.如权利要求1所述的组合导航***，其特征在于，所述GNSS解算模块能够输出固定解、浮点解或单点解，其包括：
固定解单元，其用于在所述GNSS解算模块工作于固定解模式的情况下输出相应的固定解；
浮点解单元，其用于在所述GNSS解算模块工作于浮点解模式的情况下输出相应的浮点解；以及
单点定位单元，其用于在所述GNSS解算模块工作于伪距单点定位模式的情况下输出相应的单点解；
其中，所述组合导航滤波器还将该固定解与相应接收到的定位和/定向观测量进行组合滤波以获得相应的定位和/定向误差估计值和传感器误差估计值。
8.如权利要求1所述的组合导航***，其特征在于，所述GNSS解算模块还能够输出固定解，所述固定解、浮点解和单点解被所述GNSS解算模块择一输出，所述组合导航滤波器还被配置为将接收到的所固定解与接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
9.如权利要求8所述的组合导航***，其特征在于，所述组合导航滤波器还被配置为：将对应于所述固定解的所述定位和/或定向变量误差估计值和接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合固定解。
10.如权利要求1、2、3或7或8或9所述的组合导航***，其特征在于，所述GNSS解算模块被配置为在失锁的情况下将无效解输出至所述组合导航滤波器；
其中，所述组合导航滤波器还被配置为在失锁的情况下将接收到的来自所述辅助导航模块的定位和/或定向观测量和在失锁之前已经获得的所述定位和/或定向变量误差估计值进行组合计算以得到组合校正后的惯导解。
11.如权利要求10所述的组合导航***，其特征在于，所述辅助导航模块还被配置为基于在失锁之前已经获得的所述传感器误差估计值对在失锁的情况下所述传感器的当前输出量进行修正处理以获得对应于在失锁的情况下的所述定位和/或定向观测量。
12.如权利要求1所述的组合导航***，其特征在于，所述GNSS解算模块还能够输出固定解，所述组合导航滤波器被配置为在初始状态下将接收到的固定解和接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的初始的定位和/或定向变量误差估计值和初始的传感器误差估计值。
13.一种OEM板卡，其特征在于：包括前述任何一项所述的组合导航***。
14.一种接收机，其特征在于：包括如权利要求13所述的OEM板卡。
15.一种组合导航***的定位方法，包括步骤：
接收卫星信号；
根据接收到的所述卫星信号的质量解算所接收到的卫星信号得到浮点解或者单点解；
对浮点解或单点解进行平滑滤波处理以分别地得到平滑浮点解或平滑单点解；以及
将得到的所述平滑浮点解或平滑单点解和相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
16.如权利要求15所述的定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括步骤：
基于对应于所述平滑浮点解的所述定位和/或定向变量误差估计值和接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合平滑浮点解，和/或
基于对应于所述平滑单点解的所述定位和/或定向变量误差估计值和接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合平滑单点解。
17.如权利要求15所述的定位方法，其特征在于，所述定位方法还包括步骤：
基于已经获得的所述传感器误差估计值对所述传感器的当前输出量进行修正处理以获得修正后的定位和/或定向观测量，该修正后的定位和/或定向观测量作为所述相应接收到的定位和/或定向观测量。
18.如权利要求15至17中任一所述的定位方法，其特征在于，所述定位和/或定向变量误差估计值为位置、速度和姿态误差估计值。
19.如权利要求15至17中任一所述的定位方法，其特征在于，所述定位和/或定向观测量包括所述组合导航***中的惯性导航***所输出的惯导解。
20.如权利要求19所述的定位方法，其特征在于，还包括步骤：
至少输出加速度和/或角速度信息；
基于已经获得的所述传感器误差估计值对所述加速度和/或角速度信息进行修正处理；以及
基于修正后的加速度和/或角速度信息进行处理以获得相应的修正后的惯导解作为惯性导航***所输出的所述惯导解。
21.如权利要求15所述的定位方法，其特征在于，根据接收到的卫星信号的质量还能解算得到固定解，将接收到的所述固定解与相应接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的定位和/或定向变量误差估计值和传感器误差估计值。
22.如权利要求21所述的定位方法，其特征在于，还包括步骤：
将对应于所述固定解的所述定位和/或定向变量误差估计值和相应接收到的所述定位和/或定向观测量进行组合计算以得到相应的组合固定解。
23.如权利要求15、16、17、21或22所述的定位方法，其特征在于，还包括步骤：
在失锁的情况下将接收到的定位和/或定向观测量和在失锁之前已经获得的所述定位和/或定向变量误差估计值进行组合计算以得到组合校正后的惯导解。
24.如权利要求23所述的定位方法，其特征在于，还包括步骤：
基于在失锁之前已经获得的所述传感器误差估计值对在失锁的情况下所述传感器的当前输出量进行修正处理，从而获得对应于在失锁的情况下的所述定位和/或定向观测量。
25.如权利要求21所述的定位方法，其特征在于，还包括步骤：在初始状态下将接收到的固定解和接收到的定位和/或定向观测量进行组合滤波处理以获得相应的初始的定位和/或定向变量误差估计值和初始的传感器误差估计值。
26.一种计算机设备，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，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求15至25中任何一项所述方法的步骤。
27.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行权利要求15至25中任何一项所述方法的步骤。
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