基於多傳感器數據融合的gps輔助定位系統及其定位方法
2023-05-30 04:21:41
專利名稱：基於多傳感器數據融合的gps輔助定位系統及其定位方法
技術領域：
本發明涉及導航定位技術領域，具體涉及基於多傳感器數據融合的導航定位技 術。
背景技術：
現有的導航定位技術，多為單一的導航系統。如最常用的GPS (Global Positioning System)系統，GPS系統是一種無線電導航 系統，作為最早應用於導航定位系統的高新技術，有著在全球範圍內、在任意時刻、任意氣 象條件下為用戶提供連續不斷的高精度三維位置、速度和時間信息的特點，導航精度高，不 隨時間發散，即長期穩定性好。但GPS定位依賴於接收機看到的衛星星座，所以在某些特定的環境下，GPS接收機 丟失信號不能提供正確的服務，定位不精確限制了它的廣泛使用。不精確定位的原因包括①多路徑效應，即建築物對GPS信號的反射；②陰影，即 城市中高樓與高樓之間形成的「峽谷」內、濃密的植被下，信號接收效果較差；③在隧道、地 下停車場造成的信號失鎖；④在接收信號差的地區延長了初始化時間；⑤一些動態影響， 如汽車大幅度增速與減速等。以上原因都會使GPS接收機無法定位或定位精度下降，誤差 甚至大於500米。再如航位推算DR(Dead Reckoning)系統，DR系統是用於發現車輛某時刻位置的 一種系統，它是根據車輛某一已行駛過的位置的特定路線和行駛裡程來推算的。行駛裡程 由磁性羅盤和差動裡程表計算出的時間和速度決定。它採集車輛運動傳感器信息進行獨立 連續的導航，它由測量航向的傳感器和測量距離的傳感器構成，與GPS相比，DR可以自主定 位，不存在遮擋等問題引起的列車定位信息遺失。但DR系統的初始位置無法自主得到，並 且航跡推算是一個累加的過程，不同時刻的測量誤差和計算誤差都會累積起來，隨著時間 的推移，如果長時間單獨使用，航位推算的定位精度將有可能下降。因此，只能保證短時間 的定位精度。因此，單一的導航系統，均不能在各種複雜情形下滿足定位精度需求。
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，本發明公開了基於多傳感器數據融合的GPS輔助 定位系統，可提高定位精度。本發明的目的是這樣實現的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，包括GPS導航系統，由GPS模塊及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的GPS位 置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數據；陀螺儀和加速度計組合系統，由陀螺儀、加速度計及其數據採集及處理模塊組成， 用於獲取載體的角速度、速度和加速度；數據處理及融合模塊，將GPS導航系統和陀螺儀和加速度計組合系統獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；以及地圖匹配模塊，對數字電子地圖和數據處理及融合模塊輸出的載體位置信息的誤 差進行校正，獲得載體的最終位置信息。進一步，所述數據處理及融合模塊包括數據處理模塊和數據融合模塊，所述數據 融合模塊為卡爾曼濾波器；進一步，所述數據處理模塊包括數據校正模塊和航位推算模塊，所述數據校正模 塊將陀螺儀、加速度計測得的數據轉換到與GPS導航系統統一的坐標系，所述航位推算模 塊根據陀螺儀、加速度計測得的數據推算載體的位置信息；進一步，所述地圖匹配模塊將最終位置信息反饋回航位推算模塊，作為航位推算 模塊的計算初值。本發明還提供可提高定位精度的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，包 括如下步驟1)通過GPS導航系統，獲取載體的位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數 據；2)通過陀螺儀和加速度計組合系統，獲取載體角速度、速度和加速度；3)將步驟1、2)獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；4)對步驟3)獲得的載體位置信息與數字電子地圖進行匹配，獲得載體的最終位 置信息並輸出。進一步，所述步驟3)具體包括如下步驟31)判斷衛星數是否大於閾值，若大於閾值，則輸出GPS定位信息到數據融合模 塊，如否，則不輸出GPS定位信息到數據融合模塊；32)根據步驟2)獲取的載體角速度、速度和加速度及地圖匹配模塊反饋載體最終 位置信息進行航位推算；33)判斷載體速度是否為0，如是，則以航位推算獲得的定位信息為載體位置信 息，如否，執行步驟34)；34)對GPS導航系統獲取的定位信息與航位推算獲得的定位信息進行融合；進一步，所述步驟34)是通過卡爾曼濾波器進行數據融合；進一步，所述步驟34)具體包括如下步驟341)從GPS定位信息中提取位置(xg，yg)，速度vg，方向9g，位置精度強弱度，從 導航推算模塊提取推算位置(xd，yd)、速度vd、方向θ d ；342)根據位置精度強弱度自適應調整信息分配因子β2 = 1-β1;
『「0. 99PDOPSl0 M 1/PD0P 1〈PD0P<4
、1/4PD0P 4彡PDOP .上式中，β工和β 2分別為GPS定位信息與導航推算獲得的定位信息的信息分配因 子，PDOP為位置精度強弱度；343)根據信息分配因子自來分配權重
344)通過推測算法來得到位置信息
345)處理Xl，X，yl，y的分配因子的權重 V、是通過前兩個時刻位置信息推算出來載體速度，X01，y01和X02，y。，分別為前兩個時刻位置的位置信息，o、是X、，y、的權重，o，是X，，y，的權重；
346)通過下式獲得載體位置信息
X— o 1 ．Xl+o ．X
y—o 1．yl+o．y。
本發明的有益效果是利用GPS可實時測定載體相應動態時刻的三維地理坐標，而GA工S可用以實時確定載體的姿態，在GPS正常工作的情況下，將GPS信號送給數據處理及融合模塊，分配權重，使GPS信息作為主信息，GA工S作為輔助信息；當遇到「城市峽谷」等障礙區時，GPS信號會消失或減弱，這時採用GA工S信息作為主信息，GPS信息作為輔助信息，GPS失效前一點位置正好可以作為組合的初始位置，有了初始位置以後，利用GA工S就可以對下一時刻移動載體的位置做出估計。通過改進型的卡爾曼濾波將二者所獲取的數據進行融合，然後採用地圖匹配算法來進一步提高GPS和GA工S的精度，最終可確定移動載體的方位。利用最終的導航信息反饋校正GA工S的數據，可獲得更加精確的數據。利用多傳感器組合定位技術信息互補的特點，採用改進型卡爾曼濾波將所得信息進行數據融合，得到比單一傳感器定位更精確的定位數據，適用面更廣，而且能夠滿足移動載體在複雜的動態工作環境下的定位需要，能夠有效地提高移動載體導航定位的性能和可靠性，符合高精度導航定位要求。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述
圖l示出了本發明基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統的結構示意 圖2示出了本發明基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法中數據融合步驟的流程示意 圖3示出了本發明基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統中地圖匹配模塊的結構示意圖4示出了車輛運動模型示意圖。
具體實施例方式以下將對本發明的優選實施例進行詳細的描述。參見圖1，本實施例的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，包括GPS導航 系統、陀螺儀和加速度計組合系統、數據處理及融合模塊和地圖匹配模塊。GPS導航系統，由GPS模塊及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的GPS定 位信息，包括位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數據；GPS定位技術的基本原理是 以高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，衛星不問斷地發送自身的星曆參數和時 間信息，用戶端GPS導航系統接收到這些信息後，採用空間距離後方交會的方法，計算出接 收機的三維位置。具體來說，假設用戶的接收機在某時刻採用無線測距的方法分別測得了 接收機到發射臺的距離dl、d2和d3，如果3個發射臺的位置已知，則分別以3個發射臺為 球心，以對應距離為半徑做出3個球面，即可交會出接收機的空間位置，此外，還可得到載 體的速度、時間、衛星數和位置精度強弱度PD0P(Position Dilution Of Precision)數據。GAIS (Gyro and Accelerometer Integrated System)陀螺儀禾口力口速度計組合系 統，由陀螺儀、加速度計及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的角速度、速度和加 速度等數據；陀螺儀是一種精密儀器，因此精度是他的一項重要性能指標。在精度不高的轉 子式陀螺儀中，主要幹擾力矩來自框架軸承內的摩擦力矩，及由陀螺儀重心與框架中心不 重合和陀螺馬達的動不平衡等原因。陀螺儀的原理是當有外界角速度輸入時，會產生陀螺 力矩。他的大小方向同外加角速度有關。它具有定軸性和進動性兩大特點，其中定軸性是 高速旋轉的陀螺具有很大的慣性，使它的主軸位置在慣性空間保持穩定不變；進動性是在 一定的初始條件和一定的外力矩的作用下，陀螺儀會在不停自轉的同時，還繞著另一個固 定的轉軸不停地旋轉。現在的陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀，雷射陀 螺儀，都是電子式的，可以和加速度計，磁阻晶片，GPS，做成導航控制系統。以雷射陀螺儀為例，通過陀螺儀的測量，可以得到載體的角速度和轉角。因此我們 可以得到如下的表達式
式中Δ ν為拍頻；k為比例因子；Ω為轉動角速度；A為環形諧振腔面積；為環 形諧振腔環路長度；λ為雷射波長。雷射陀螺的輸出脈衝頻率正比於Ω，輸出脈衝數正比 於θ，利用該輸出脈衝數可求出載體的角增量，從而可進行數學平臺的解算。加速度計工作原理加速度計由檢測質量(也稱敏感質量)、支承、電位器、彈簧、 阻尼器和殼體組成。檢測質量受支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸常稱為輸入軸或 敏感軸。當儀表殼體隨著運載體沿敏感軸方向作加速運動時，根據牛頓定律，具有一定慣性 的檢測質量力圖保持其原來的運動狀態不變。它與殼體之間將產生相對運動，使彈簧變形， 於是檢測質量在彈簧力的作用下隨之加速運動。當彈簧力與檢測質量加速運動時產生的慣性力相平衡時，檢測質量與殼體之間便不再有相對運動，這時彈簧的變形反映被測加速度 的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號轉換為電信號，以供輸出。加速度計本質 上是一個一自由度的振蕩系統，可以測到振動信號的頻率，對加速度計的測得的數據進行 二次積分就可得到位移。在此模塊中，對採集到的數據進行處理，利用陀螺儀測出移動載體的旋轉角速度 和加速度計測出的速度，加速度等數據。數據處理及融合模塊，所述數據處理及融合模塊包括數據處理模塊和數據融合模 塊，所述數據融合模塊為卡爾曼濾波器，所述數據處理模塊包括數據校正模塊和航位推算 模塊，所述數據校正模塊將陀螺儀、加速度計測得的數據轉換到與GPS導航系統統一的坐 標系，所述航位推算模塊根據陀螺儀、加速度計測得的數據推算載體的位置信息；數據處理 及融合模塊將GPS導航系統和陀螺儀和加速度計組合系統獲取的數據進行融合，獲得載體 位置信息，融合的具體方法在後面的內容中詳述；地圖匹配模塊，對數字電子地圖和數據處理及融合模塊輸出的載體位置信息的誤 差進行校正，獲得載體的最終位置信息，並將最終位置信息反饋回航位推算模塊，作為航位 推算模塊的計算初值。本發明的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，包括如下步驟1)通過GPS導航系統，獲取載體的位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數 據；2)通過陀螺儀和加速度計組合系統，獲取載體角速度、速度和加速度；3)將步驟1、2)獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；具體包括如下步驟31)判斷衛星數是否大於閾值，若大於閾值，則輸出GPS定位信息到數據融合模 塊，如否，則不輸出GPS定位信息到數據融合模塊；32)根據步驟2)獲取的載體角速度、速度和加速度及地圖匹配模塊反饋載體最終 位置信息進行航位推算；導航推算具體步驟如下參見圖4，車輛運動模型設車輛的開始地理系坐標系起始於(Χ(1，。，k時刻的位置 (xk，yk)可由下面的表達式來表示 上式中Si是車輛斜航線的長度，即航程，θ i代表航向，即車輛前行方向與χ方向 的夾角，Δ θ i是ti時刻至ti+1時刻之間車輛航向的變化量。當採樣周期T不變時，上式公式改寫為 上式中Vi是、時刻的速度，COi是ti時刻車輛的角速度。在推算過程中，誤差會隨著時間的累積增加，為了減少這種誤差，提取反饋過來的 最終的數據作為在上式中初始值，這樣就可以避免這種長時間的誤差，上式中的Xo，10，K 由反饋過來的數據決定。33)判斷載體速度是否為0，如是，則以航位推算獲得的定位信息為載體位置信 息，如否，執行步驟34)34)對GPS導航系統獲取的定位信息與航位推算獲得的定位信息進行融合；具體 包括如下步驟341)從GPS定位信息中提取位置(xg，yg)，速度vg，方向9g，位置精度強弱度，從 導航推算模塊提取推算位置(xd，yd)、速度vd、方向θ d ；342)根據GPS輸出參數中位置精度強弱度(Position Dilution Of Precision, PD0P)值用來反映GPS定位品質。通常，當PDOP值小於4時，GPS具有基本理想的定位精 度，定位誤差E < 20m;當PDOP值小於1時，GPS具有很高的定位精度，E < IOm ；—旦GPS 的PDOP值大於4，定位精度難以得到保證，誤差甚至到達數百米。根據GPS的PDOP值與定 位精度的經驗模型，根據位置精度強弱度自適應調整信息分配因子 上式中，β工和β 2分別為GPS定位信息與導航推算獲得的定位信息的信息分配因 子，PDOP為位置精度強弱度；343)根據信息分配因子自來分配權重X1 = β ！ · Xg+ β 2 · XdY1 = γ8+β2 · yd；344)通過推測算法來得到位置信息X2 = X0+ ( β ！ · Vg+ β 2vd) · cos ( β 丄· θ g+ β 2 · θ d)y2 = γ0+(β! · Vg+ β 2vd) · 8 η(β1 · θ g+β 2 · θ d)；上式中xQ，y0為前一個時刻的位置信息；
Q1 = I-Q2;Vt是通過前兩個時刻位置信息推算出來載體速度，X01, Y01和Xtl2，Y02分別為前兩個 時刻位置的位置信息，α工是Χι，Υι的權重，α 2是x2，y2的權重；346)通過下式獲得載體位置信息χ = α j · X1+ α 2 · χ2y = α ！ · Yi+α 2 · y2o4)對步驟3)獲得的載體位置信息與數字電子地圖進行匹配，獲得載體的最終位 置信息並輸出。GPS和GAIS系統的組合導航在一定程度上提高了定位系統的精度和可靠性，但定 位數據仍然存在一定誤差，並且當GPS數據丟失時，GAIS系統的誤差會累積變大。在實際 系統中通常採用地圖匹配算法來進一步提高GPS和GAIS系統的精度。地圖匹配是車輛導航系統中的一項關鍵技術。它通過軟體方法對車輛定位和電子 地圖誤差進行校正，實時準確地確定車輛位置，是實現車輛引導等其他關鍵導航功能的基 石出。地圖匹配算法通常以模式識別理論為基礎，以某個車輛位置點或某段車行軌跡曲 線作為待匹配樣本，以該點或該軌跡曲線附近的所有道路上的位置點或道路曲線作為模 板，通過待匹配樣本和模板間的匹配，取相似度最高的模板作為匹配結果。匹配之前我們假 定電子地圖數據是準確的，且車輛始終在道路上行駛，在此基礎上我們可以將匹配過程分 為下面的2個階段。一是道路選擇，主要是對道路進行分段，提取道路特徵信息，然後採用適當的搜索 規則和匹配算法根據當前傳感器給出的移動載體信息，在地圖資料庫中尋找一條最有可能 的道路。確定的方法為假設P(X，Y)為GPS定位輸出點，首先以P為中心，200m為半徑劃定 一個範圍框，根據此範圍框左上角和右下角經緯度坐標確定包含在範圍框內的「原子圖」， 這些「原子圖」中所存儲的道路即為與P相關的候選路段。當P處於原子圖的邊界時，範圍 框中包含的原子圖可能為多個，但由於對道路網格進行了分塊處理，每個原子圖的規模很 小，即便是處理多個原子圖中的候選路段數據，仍然可以保證較高的匹配速度。二是道路匹配，將移動載體當前位置匹配並顯示在這條道路上，用於消除傳感器 的定位誤差。判斷車輛當前在哪條路段上行駛的信息主要有3個當前車輛定位點距離候 選路段的投影距離；車的當前行駛方向與道路方向間的夾角及候選路段與前一匹配路段的 幾何拓撲關係。常規的地圖匹配算法即基於距離投影的地圖匹配算法僅僅考慮候選路段的 投影距離，其核心思想是依次計算待匹配點到各個侯選路段的投影距離，比較後取距離最 小的路段為匹配路段。
345)處理X1, x2, Y1, y2的分配因子的權重
以上所述僅為本發明的優選並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以 對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修 改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和 變型在內。
權利要求
基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，其特徵在於包括GPS導航系統，由GPS模塊及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的GPS位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數據；陀螺儀和加速度計組合系統，由陀螺儀、加速度計及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的角速度、速度和加速度；數據處理及融合模塊，將GPS導航系統和陀螺儀和加速度計組合系統獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；以及地圖匹配模塊，對數字電子地圖和數據處理及融合模塊輸出的載體位置信息的誤差進行校正，獲得載體的最終位置信息。
2.如權利要求1所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，其特徵在於所 述數據處理及融合模塊包括數據處理模塊和數據融合模塊，所述數據融合模塊為卡爾曼濾 波器。
3.如權利要求2所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，其特徵在於所 述數據處理模塊包括數據校正模塊和航位推算模塊，所述數據校正模塊將陀螺儀、加速度 計測得的數據轉換到與GPS導航系統統一的坐標系，所述航位推算模塊根據陀螺儀、加速 度計測得的數據推算載體的位置信息。
4.如權利要求3所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，其特徵在於所 述地圖匹配模塊將最終位置信息反饋回航位推算模塊，作為航位推算模塊的計算初值。
5.基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，其特徵在於包括如下步驟1)通過GPS導航系統，獲取載體的位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數據；2)通過陀螺儀和加速度計組合系統，獲取載體角速度、速度和加速度；3)將步驟1、2)獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；4)對步驟3)獲得的載體位置信息與數字電子地圖進行匹配，獲得載體的最終位置信 息並輸出。
6.如權利要求5所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，其特徵在於所 述步驟3)具體包括如下步驟31)判斷衛星數是否大於閾值，若大於閾值，則輸出GPS定位信息到數據融合模塊，如 否，則不輸出GPS定位信息到數據融合模塊；32)根據步驟2)獲取的載體角速度、速度和加速度及地圖匹配模塊反饋載體最終位置 信息進行航位推算；33)判斷載體速度是否為0，如是，則以航位推算獲得的定位信息為載體位置信息，如 否，執行步驟34)；34)對GPS導航系統獲取的定位信息與航位推算獲得的定位信息進行融合。
7.如權利要求6所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，其特徵在於所 述步驟34)是通過卡爾曼濾波器進行數據融合。
8.如權利要求7所述的基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法，其特徵在於所 述步驟34)具體包括如下步驟341)從GPS定位信息中提取位置(Xg，yg)，速度vg，方向θ g，位置精度強弱度，從導航 推算模塊提取推算位置(xd，Yd)、速度vd、方向θ d ；342)根據位置精度強弱度自適應調整信息分配因子 上式中，^和β 2分別為GPS定位信息與導航推算獲得的定位信息的信息分配因子， PDOP為位置精度強弱度；343)根據信息分配因子自來分配權重Xl = β ！ · Xg+ β 2 · XdYi = β ι * yg+ β 2 * yd ；344)通過推測算法來得到位置信息X2 = X0+ ( β 1 · Vg+ β 2vd) · COS ( β i · θ g+ β 2 .θ d)Y2 = Υο+(βι · Vg+ β 2vd) · 8 η(β1 · θ g+ β 2 ·θ d)； 上式中￥ Yo為前一個時刻的位置信息；345)處理X1,x2, Y1, y2的分配因子的權重 Vt是通過前兩個時刻位置信息推算出來載體速度，X01, Y01和x。2，Y02分別為前兩個時刻 位置的位置信息，α i是Xl，Y1的權重，α 2是x2，J2的權重；346)通過下式獲得載體位置信息
全文摘要
本發明涉及導航定位技術領域，具體涉及基於多傳感器數據融合的導航定位技術，其中基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位系統，包括GPS導航系統，由GPS模塊及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的GPS位置、速度、時間、衛星數和位置精度強弱度數據；陀螺儀和加速度計組合系統，由陀螺儀、加速度計及其數據採集及處理模塊組成，用於獲取載體的角速度、速度和加速度；數據處理及融合模塊，將GPS導航系統和陀螺儀和加速度計組合系統獲取的數據進行融合，獲得載體位置信息；以及地圖匹配模塊，對數字電子地圖和數據處理及融合模塊輸出的載體位置信息的誤差進行校正，獲得載體的最終位置信息；本發明還提供基於多傳感器數據融合的GPS輔助定位方法。
文檔編號G01S19/10GK101907714SQ20101021036
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者萬俊, 任步廷, 陶洋, 魯貝貝, 黃宏程 申請人:陶洋