CN110285811A - 卫星定位和惯性导航的融合定位方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星定位和惯性导航的融合定位方法和装置，通过卡尔曼滤波器结合惯导定位数据和卫星定位数据，用以解决只使用惯导情况下长时间运行会产生累计误差的问题以及城市和树林等卫星信号反射和遮挡区域定位位置漂移的问题，在有卫星定位的情况下可实现长距离高精度定位，卫星信号丢失的情况也能依赖惯导进行高精度定位，相较于现有技术或设备具有显著的进步。

Description

卫星定位和惯性导航的融合定位方法和装置
技术领域
本发明属于定位装置领域，尤其涉及一种能将卫星定位和惯性导航进行融合定位的方法及其配套装置。
背景技术
现有的惯性导航***可以实现短期高精度的定位功能，但***产生的微小误差会随时间逐步累加，会对结果造成较大的影响，而卫星定位效果虽与定位持续时间无关，但整体精度不高且易受周遭环境的干扰，在室内隧道等地无法获取正确的定位信息。
发明内容
本发明为克服上述缺点,根据惯导和卫星定位的导航功能互补的特点,以适当的方法将两者组合来提高***的整体导航精度及导航性能以及空中对准和再对准的能力，卫星定位接收装置在惯导位置和速度信息的辅助下,也将改善捕获、跟踪和再捕获的能力,并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大，其包括以下步骤：
S1.惯导定位设备通过传感器获取三轴加速度和角速度值；
S2.通过卫星定位设备获取目标位置和运动方向，以及卫星定位参数，并通过蓝牙传输给惯导定位设备；
S3.使用步骤S1中的传感器获取的三轴加速度和角速度值进行捷联解算，并推测零速修正点，使用卡尔曼滤波进行零速修正(ZUPT)，得到定位设备的位置、速度、姿态和零速点数据；
S4. 使用步骤S2中的数据来初始化惯导起始点，将定位坐标从经纬度坐标系转换为惯导坐标系，并将其与步骤S2中数据相减得出位置和运动方向误差，于零速修正点将误差输入卫星定位滤波器进行滤波，计算得出当前位置的最优解，并将结果转换为经纬度进行输出。
较佳的，所述步骤S2中的卫星定位参数包括参与定位的卫星数量和卫星定位精度因子HDOP。
较佳的，所述步骤S3中卡尔曼滤波的计算步骤如下：
S31.通过定位设备的三轴加速度和角速度值来初始化定位设备当前姿态，确定状态向量，p、v、a分别是定位设备的位置、速度和欧拉角姿态值；
S32.通过定位设备传感器读数根据推算姿态的预测值，并计算状态转移矩阵和噪声增益矩阵；
S33.更新预测协方差矩阵；
S34.确定观察矩阵H，在零速修正中观察值为三轴速度，在卫星定位融合中观察值为经纬度和运动方向。
S35.计算卡尔曼增益；
S36.计算与测量值的差值z，计算导航误差修正值并修正导航误差得到当前最优值；
S37.更新协方差矩阵。
较佳的，所述步骤S36中所述测量值为零速修正判断出的零速状态和卫星定位数据，卫星定位修正的差值z中的偏航角差值是由运动方向相减得出；
卫星定位和惯性导航的融合定位装置，包括：惯导定位设备和卫星定位设备；所述卫星定位设备包含蓝牙模块与卫星定位模块；所述惯导定位设备包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、计算芯片和蓝牙模块；
较佳的，所述卫星定位设备和所述惯导定位设备通过各自的蓝牙模块进行连接实现数据传输；
较佳的，所述计算芯片接收所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪给出的数据和所述卫星定位设备获取的卫星定位数据对位置、速度和姿态数据进行计算；
较佳的，所述卫星定位设备和所述惯导定位设备整合于穿戴设备上。
本发明通过零速修正来确定卫星定位滤波修正点，通过卫星定位及后续校正解决惯导定位初始位置的问题，对卫星定位数据依赖性低，无卫星定位数据时使用零速修正滤波也可精确定位，于零速修正点对位置和运动方向进行校准，避免运动过程中复杂姿态对结果的影响，同时设备使用简单，对使用环境没有要求，卫星定位数据可随时输入进行误差校准，避免长时间运行产生的累计误差，由于引入零速修正的方法提高了卫星定位数据融合的可靠度和对人员位置定位的精准度，相较于现有技术和设备具有显著的进步。
附图说明
图1为本发明卡尔曼滤波流程图。
图2为本发明融合定位计算流程图。
图3为本发明所述惯导定位设备的一种结构示意图。
图4为卫星定位装置内部结构示意图。
图5为惯性导航装置内部结构示意图。
图6为卫星定位和惯性导航的融合定位装置实施例示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，卫星定位和惯性导航的融合定位方法包括以下步骤：
S1.惯导定位设备通过传感器获取三轴加速度和角速度值；
S2.通过卫星定位设备获取目标位置和运动方向，以及卫星定位参数，并通过蓝牙传输给惯导定位设备；
S3.使用步骤S1中的传感器获取的三轴加速度和角速度值进行捷联解算，并推测零速修正点，使用卡尔曼滤波进行零速修正(ZUPT)，得到定位设备的位置、速度、姿态和零速点数据；
S4. 使用步骤S2中的数据来初始化惯导起始点，将定位坐标从经纬度坐标系转换为惯导坐标系，并将其与步骤S2中数据相减得出位置和运动方向误差，于零速修正点将误差输入卫星定位滤波器进行滤波，计算得出当前位置的最优解，并将结果转换为经纬度进行输出。
更进一步的，所述步骤S2中的卫星定位参数包括参与定位的卫星数量和卫星定位精度因子HDOP。
更进一步的，如图1所示所述步骤S3中卡尔曼滤波的计算步骤如下：
S31.通过定位设备的三轴加速度和角速度值来初始化定位设备当前姿态，确定状态向量，p、v、a分别是定位设备的位置、速度和欧拉角姿态值。
S32.通过定位设备传感器读数根据推算姿态的预测值，并计算状态转移矩阵和噪声增益矩阵。
S33.更新预测协方差矩阵。
S34.确定观察矩阵H，在零速修正中观察值为三轴速度，在卫星定位融合中观察值为经纬度和运动方向。
S35.计算卡尔曼增益。
S36.计算与测量值的差值z，计算导航误差修正值并修正导航误差得到当前最优值。
S37.更新协方差矩阵。
更进一步的，所述步骤S36中所述测量值为零速修正和卫星定位修正，所述差值z是卫星定位滤波中的偏航角差值由运动方向相减得出。
实施例2
如图3-图6所示，卫星定位和惯性导航的融合定位装置，包括：惯导定位设备11和卫星定位设备21；所述卫星定位设备21包含蓝牙模块22与卫星定位模块；所述惯导定位设备11包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、计算芯片和蓝牙模块22。
更为具体的，所述卫星定位设备21和所述惯导定位设备11通过各自的蓝牙模块22进行连接实现数据传输。
更为具体的，所述计算芯片接收所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪给出的数据和所述卫星定位设备21获取的卫星定位数据对位置、速度和姿态数据进行计算。
更为具体的，惯导定位设备11装于卡槽12内，所述卡槽12两边固定有弹性绑带13，所述卡槽12内壁有弹性部件，所述***外壳2上有与所述卡槽内弹性部件卡合的凸起或凹陷结构，人员可通过弹性绑带13将惯导定位设备11固定于腿上。
更为具体的，卫星定位设备21可选用手机，利用其卫星定位功能和蓝牙功能与惯导定位设备11进行数据交互和传输，更加方便本设备的应用与推广。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种卫星定位和惯性导航的融合定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.惯导定位设备通过传感器获取三轴加速度和角速度值；
S2.通过卫星定位设备获取目标位置和运动方向，以及卫星定位参数，并通过蓝牙传输给惯导定位设备；
S3.使用步骤S1中的传感器获取的三轴加速度和角速度值进行捷联解算，并推测零速修正点，使用卡尔曼滤波进行零速修正(ZUPT)，得到定位设备的位置、速度、姿态和零速点数据；
S4.使用步骤S2中的数据来初始化惯导起始点，将定位坐标从经纬度坐标系转换为惯导坐标系，并将其与步骤S2中数据相减得出位置和运动方向误差，于零速修正点将误差输入卫星定位滤波器进行滤波，计算得出当前位置的最优解，并将结果转换为经纬度进行输出。
2.根据权利要求1所述卫星定位和惯性导航的融合定位方法，其特征在于：所述步骤S2中的卫星定位参数包括参与定位的卫星数量和卫星定位精度因子HDOP。
3.根据权利要求2所述卫星定位和惯性导航的融合定位方法，其特征在于：所述步骤S3中卡尔曼滤波的计算步骤如下：
S31.通过定位设备的三轴加速度和角速度值来初始化定位设备当前姿态，确定状态向量，p、v、a分别是定位设备的位置、速度和欧拉角姿态值；
S32.通过定位设备传感器读数根据推算姿态的预测值，并计算状态转移矩阵和噪声增益矩阵；
S33.更新预测协方差矩阵；
S34.确定观察矩阵H，在零速修正中观察值为三轴速度，在卫星定位融合中观察值为经纬度和运动方向；
S35.计算卡尔曼增益；
S36.计算与测量值的差值z，计算导航误差修正值并修正导航误差得到当前最优值；
S37.更新协方差矩阵。
4.根据权利要求3所述卫星定位和惯性导航的融合定位方法，其特征在于：所述步骤S36中所述测量值为零速修正判断出的零速状态和卫星定位数据，卫星定位修正的差值z中的偏航角差值是由运动方向相减得出。
5.根据权利要求1所述卫星定位和惯性导航的融合定位方法，其特征在于：通过零速修正来判断卫星定位修正的时间点。
6.一种卫星定位和惯性导航的融合定位装置，其特征在于：包括：惯导定位设备和卫星定位设备；所述卫星定位设备包含蓝牙模块与卫星定位模块；所述惯导定位设备包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、计算芯片和蓝牙模块。
7.根据权利要求6所述卫星定位和惯性导航的融合定位装置，其特征在于：所述卫星定位设备和所述惯导定位设备通过各自的蓝牙模块进行连接实现数据传输。
8.根据权利要求7所述卫星定位和惯性导航的融合定位装置，其特征在于：所述计算芯片接收所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪给出的数据和所述卫星定位设备获取的卫星定位数据对位置、速度和姿态数据进行计算。
9.根据权利要求8所述卫星定位和惯性导航的融合定位装置，其特征在于：所述卫星定位设备和所述惯导定位设备整合于穿戴设备上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112083465A (zh) * 2020-09-18 2020-12-15 德明通讯（上海）有限责任公司 位置信息获取***及方法
CN113126602A (zh) * 2019-12-30 2021-07-16 南京璟一机器人工程技术有限公司 一种移动机器人的定位方法

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