[发明专利]单轴陀螺仪和单轴加速度计的车载组合导航系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种组合导航系统及方法，尤其是一种基于单轴陀螺仪和加速度计的车载组合导航系统及方法。

背景技术

车载导航仪已经成为普通汽车的重要组成部分。随着汽车销量的不断上升，对车载导航系统的需求日益增加，现有的车载导航仪一般带有全球导航卫星系统(GNSS)接收机来实现，国内可捕获并利用的卫星信号有GPS，北斗二代，GLONASS等。目前在一般环境中，GNSS的定位精度已经达到3m以内，完全满足车载导航的要求。但是，GNSS信号容易受环境的干扰，在城市峡谷或立交桥下GNSS接收机定位偏差很大；在隧道中，GNSS接收机甚至无法提供定位结果。

GNSS导航系统精度并不随时间的推移而误差增大，但是其容易受环境干扰，自主导航能力较差；DR导航系统受环境约束不大，自主导航能力较强，但是其随着时间的推移，误差会不断积累。GNSS/DR组合导航系统实际上是两种导航系统的相互补偿。目前现有的技术一般采用里程计加陀螺仪作为DR模块的惯性传感器，将里程计、陀螺仪和GNSS系统的定位输出作为测量值，利用扩展卡尔曼滤波器融合数据。专利CN1908587A提出的“GPS/DR车载组合定位系统及定位方法”，正是基于里程计和陀螺仪作为DR模块的惯性传感器的GPS/DR组合导航系统。这种方法，车载前装比较容易实现，但是车载后装因为里程计信号不易获得的缘故而难以实现。

发明内容

本发明提出了一种前后装都可以实现的单轴陀螺仪和单轴加速度计的车载组合导航系统及方法。其系统结构简单，在复杂环境中，能提高定位精度；在隧道等无卫星信号的地方，能提供持续的定位信息。

按照本发明提供的技术方案，一种单轴陀螺仪和单轴加速度计的车载组合导航系统，包括GNSS模块，单轴陀螺仪、单轴加速度计、DR模块、逻辑控制模块、卡尔曼滤波器；所述GNSS模块输出包含位置、速度和航向的定位信息，GNSS模块定位设定时间以上并且检测到载体运动速度大于设定值之后，则GNSS的位置信息初始化DR模块，包括初始化DR模块的初始位置和初始速度；所述单轴陀螺仪指示载体的航向，航向的变化表示为式中为当前时刻的航向角，为上一时刻的航向角，ω为单轴陀螺仪测量出的角速度，dt为采样时间间隔，陀螺仪的采样点与GNSS模块定位输出要求时间同步，内部机制依赖秒脉冲PPS来实现时间同步；所述单轴加速度计指示载体的线加速度a，载体的速度表示为V_n＝V_n-1+a·dt，V_n表示当前时刻载体的运动速度，V_n-1表示上一时刻载体的运动速度，dt为采样时间间隔；加速度计的采样点与GNSS模块定位输出要求时间同步，内部机制依赖秒脉冲PPS而实现时间同步；经过GNSS模块的后端导航解算方法输出GNSS模块定位结果；DR模块得到GNSS模块给出的定位初始化信息之后，由单轴陀螺仪和单轴加速度计的测量值来推算，得到DR模块的定位信息；所述逻辑控制模块用来控制GNSS模块与DR模块的逻辑关系；所述卡尔曼滤波器融合GNSS模块和DR模块的定位信息，分配两个系统的定位权值，得到定位结果；同时估计陀螺仪和加速度计的偏差，反馈给传感器。

所述GNSS模块定位的设定时间是2分钟，载体运动速度的设定值是3m/s。

一种单轴陀螺仪单轴加速度计的车载GNSS/DR组合导航方法，包括以下步骤：

1)GNSS模块接收GNSS卫星信号，直至定位有效且有效的输出定位结果；

2)GNSS模块定位之后，输出准确的秒脉冲PPS，根据PPS来同步GNSS和DR模块的定位结果；在前后两个PPS之间，连续采样50个点，认为单轴加速度计直接指示载体的线速度变化率；单轴陀螺仪指示载体的航向变化率；

3)单轴陀螺仪和单轴加速度计传感器经采样得到的航向变化率ω、线速度变化率a，ω和a作为DR模块的输入，得到DR模块输出的定位信息；

4)逻辑控制模块根据GNSS模块和DR模块的工作状况，向卡尔曼滤波器输入GNSS模块和DR模块的定位有效性，协助卡尔曼滤波器正常工作；

5)卡尔曼滤波器工作频率与GNSS模块工作频率相同，根据GNSS模块和DR模块的定位精度，选择权重并分配给两个系统，从而得到优化的定位结果。

4、如权利要求2所述的单轴陀螺仪单轴加速度计的车载GNSS/DR组合导航方法，其特征是，步骤二所述采样的时间间隔为10-20ms。

所述的DR模块

a、计算载体航向在采样时间间隔内的变化