專利名稱：一種組合導航裝置和實施方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種GPS導航、慣性導航、CDMA手機網(wǎng)絡、地磁羅盤四種導航方式組合 的導航裝置和實施方法，屬于城市交通、航海等中低精度要求的導航定位裝置和實施方法 的技術領域。
背景技術：
慣性導航的基本原理是根據(jù)牛頓力學定律，通過測量載體在慣性參考系的加速度 和角速度，將他們對時間進行積分，并把它變換到導航坐標系統(tǒng)中，就能夠得到在導航坐標 系中的速度、位置和姿態(tài)角信息等。所以，它是一種不依賴于任何外部信息，也不向外輻射 能量的自主式導航系統(tǒng)。具有良好的隱蔽性，其工作環(huán)境不僅包括控制、地球表面，還可以 在水下。比如，1958年美國“皇后魚”號核潛艇依靠慣性導航系統(tǒng)穿過北極在冰下航行21 天；美國“阿波羅”號飛船上也裝備了捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)。目前，慣性導航在海、陸、空、天 等各領域都得到了廣泛的應用。GPS導航系統(tǒng)的特點是覆蓋面廣，尤其是在野外和海上具有非常好的定位效果。 CDMA手機網(wǎng)絡定位的覆蓋范圍有限，而且定位精度受CDMA手機網(wǎng)絡基站的密度等影響較 大，而它的這一特點正好可以彌補GPS導航網(wǎng)絡的定位“盲區(qū)”，尤其是在鬧市區(qū)、室內(nèi)、隧 道等GPS信號被遮擋嚴重的地區(qū)，往往是CDMA手機網(wǎng)絡基站的密集區(qū)，因此CDMA手機網(wǎng) 絡定位可以在很大程度上彌補GPS定位系統(tǒng)的盲區(qū)，從而使本定位系統(tǒng)的應用范圍大大擴 展。慣性導航系統(tǒng)的特點是短時間內(nèi)定位精度高，動態(tài)性能好，且屬于自主定位，不需要接 收外部定位信號，在GPS網(wǎng)絡和CDMA手機網(wǎng)絡均無法提供定位服務時，可以提供短時間的 定位服務?，F(xiàn)有的GPS(Global Position System，全球定位系統(tǒng))導航裝置，通過接收GPS 信號實現(xiàn)GPS導航，但由于GPS信號因不同的區(qū)域而強弱有所不同，當在GPS信號弱的區(qū) 域時，GPS導航裝置容易導致導航不準確；或者在無GPS信號地區(qū)，即所謂的“盲區(qū)”時，如 室內(nèi)、高層建筑密集的市區(qū)等地方，則無法進行GPS導航。而解決此問題可以通過CDMA手 機網(wǎng)絡導航系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)來確定具體位置，例如當汽車從GPS信號區(qū)進入室內(nèi)停車 場，由于建筑物的遮擋進入了 GPS信號盲區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要的目的在于提出一種(MINS/CDMA手機網(wǎng)絡/地磁羅盤/GPS)組合導 航的裝置和實施方法，此導航裝置及方法克服了傳統(tǒng)GPS/MINS導航方法經(jīng)常由于遮擋不 能準確定位的欠缺，可以在GPS信號由于遮擋不能準確定位時，繼續(xù)利用MINS/地磁羅盤/ CDMA手機網(wǎng)絡進行組合定位，從而可以提供覆蓋范圍更大、可靠性更高也更精確的定位服 務。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案本發(fā)明組合導航裝置，其特征在于包括
GPS導航模塊，用于接收GPS信號，并對所述GPS信號進行解析，生成GPS導航數(shù) 據(jù)；MINS慣性導航模塊，用于采集慣性導航數(shù)據(jù)；CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊，根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TDOA)，進行定 位；地磁羅盤導航模塊，地磁羅盤模塊內(nèi)部包含了三軸磁通量計，根據(jù)其自帶的全球 地磁數(shù)據(jù)庫實時的提供載體的方位角；時間同步模塊，將GPS導航模塊、CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊、地磁羅盤導航模塊以及 MINS微慣性導航模塊的導航數(shù)據(jù)輸出進行時間同步；導航計算機，用于接收上述四種導航模塊的導航數(shù)據(jù)，并根據(jù)GPS導航模塊和 CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊的信號強弱情況，通過聯(lián)邦卡爾曼濾波進行組合導航定位。其中，所 述CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊，根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TDOA)，通過三角定位 算法進行定位；子濾波器1，負責MINS和GPS的位置和速度信息融合，其量測信息主要是指GPS和 SINS形成的位置、速度信息；子濾波器2，負責MINS和CDMA手機網(wǎng)絡信息融合，其量測信息主要指二者的位置信息融合；子濾波器3，負責MINS和地磁羅盤位置和姿態(tài)信息融合，其量測信息是地磁羅盤 和MINS形成的位置、速度觀測信息；主濾波器，一方面對各子濾波器進行信息綜合與分配，另一方面將系統(tǒng)狀態(tài)誤差 的估計值反饋給慣導系統(tǒng)，以校正其累積誤差。其中，所述MINS慣性導航模塊包括加速度采集單元，與MINS慣性導航模塊相連接，用于實時采集加速度數(shù)據(jù)；MEMS陀螺儀單元，與MINS慣性導航模塊相連接，用于實時采集角速率。其中，所述 地磁羅盤導航模塊包括地磁場采集單元，用于采集載體所在位置沿東-北-天三個方向的地磁強度；全球地磁場數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含了全球任意經(jīng)緯度的地磁信息，地磁羅盤導航 模塊根據(jù)地磁場采集單元采集到得地磁場強度數(shù)據(jù)、載體所在的經(jīng)緯度和全球地磁場數(shù)據(jù) 庫確定出載體的航向。其中，所述時間同步模塊包括GPS秒脈沖信號接收端，用于接收來自GPS導航模塊的秒脈沖同步信號，AVR系列ATMEGA128單片機，通過所述單片機的串口接收來自各個導航模塊的導 航數(shù)據(jù)，利用所述單片機的計數(shù)器對來自所述GPS導航模塊的秒脈沖信號進行計數(shù)，最后 用拉格朗日插值算法對MINS微慣性導航模塊、CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊和地磁羅盤導航模 塊的導航數(shù)據(jù)進行插值計算，最終對各個導航模塊的導航數(shù)據(jù)進行時間同步。一種組合導航實施方法，其特征在于，包括如下步驟1)采用GPS導航模塊接收GPS信號，并解析生成GPS導航數(shù)據(jù)；2)通過MINS慣性導航模塊采集慣性導航數(shù)據(jù)；3)通過CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊接收手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TDOA)，通過 定位算法進行定位；
4)通過地磁羅盤導航模塊采集地磁羅盤數(shù)據(jù)，并輸出載體的航向角；5)選擇MINS微慣性導航系統(tǒng)為公共參考系統(tǒng)，分別與其余子系統(tǒng)即GPS導航系統(tǒng)、CDMA手機網(wǎng)絡導航系統(tǒng)和地磁羅盤導航系統(tǒng)分別組合，構成3個卡爾曼濾波子系統(tǒng)； 根據(jù)所述GPS導航數(shù)據(jù)確定的GPS信號載噪比、地磁羅盤導航模塊得到的航向角以及所述 CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量，動態(tài)的改變慣性導航信息在各子濾波器中的分配系數(shù)；根據(jù) GPS導航模塊和CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊的信號強弱情況，利用聯(lián)邦卡爾曼濾波對所述GPS 導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡導航數(shù)據(jù)、MINS慣性導航數(shù)據(jù)在主濾波器中進行數(shù)據(jù)融合，生成導航數(shù)據(jù)；6)輸出導航數(shù)據(jù)。其中，所述的一種組合導航實施方法，其特征在于，根據(jù)所述 GPS導航數(shù)據(jù)確定GPS信號載噪比，根據(jù)所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量，對所述GPS導航 數(shù)據(jù)、所述慣性導航數(shù)據(jù)、所述地磁羅盤數(shù)據(jù)和所述CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)進行聯(lián)邦卡爾 曼濾波，步驟5)所述的生成導航數(shù)據(jù)的步驟還包括V)判斷GPS信號載噪比；VI)判斷CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量；VII)根據(jù)GPS信號載噪比和CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量即信號的強弱動態(tài)的確 定在進行聯(lián)邦卡爾曼濾波時，慣性導航信息在MINS/GPS導航子濾波器、MINS/CDMA手機網(wǎng) 絡定位導航子濾波器中的利用權重；VIII)根據(jù)所述慣性導航數(shù)據(jù)在各子濾波器中的權重，在主濾波器中進行導航數(shù) 據(jù)融合，生成導航數(shù)據(jù)。其中，所述GPS信號強弱根據(jù)載噪比及衛(wèi)星個數(shù)確定，若載噪比大于等于35dB/Hz 且衛(wèi)星個數(shù)大于等于4個，則GPS信號為強；若載噪比大于等于20dB/Hz并小于35dB/Hz且 衛(wèi)星個數(shù)大于等于4個，則GPS信號為弱；弱載噪比小于20dB/Hz或者衛(wèi)星個數(shù)小于等于4 個，則為GPS信號盲區(qū)；所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號強弱根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量已經(jīng)CDMA手 機網(wǎng)絡基站個數(shù)確定，若信號質(zhì)量大于等于50dB且CDMA基站數(shù)大于等于3個，則CDMA手 機網(wǎng)絡導頻信號為強；若導頻信號質(zhì)量大于等于25dB且小于50B同時CDMA基站數(shù)量大于 等于3個，則CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱；若導頻信號質(zhì)量小于25dB或者CDMA基站數(shù)量 小于3個，則為CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號盲區(qū)。其中，在聯(lián)邦卡爾曼濾波系統(tǒng)中，所述各子濾波器中的慣性導航信息分配系數(shù)的 總和為1 ；其中，所述的組合導航實施方法a)若所述GPS信號為強，則所述慣性導航信息分配系數(shù)在MINS/GPS導航子濾波器 中取0. 2，其余子濾波器的分配系數(shù)約為0. 4 ；b)若所述GPS信號為弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分配 系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 4，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 2，其余的 子濾波器的分配系數(shù)取0. 4 ；c)若所述GPS信號微弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分配 系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 33，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 33，其余 的子濾波器的分配系數(shù)取0. 33 ；
d)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分 配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 9，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 05，其 余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 05 ；e)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分 配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49，其 余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 02 ；f)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為盲區(qū)，則慣性導航信息 分配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49， 其余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 02。本發(fā)明實時根據(jù)GPS接收系統(tǒng)提供的位置和速度信息、CDMA手機網(wǎng)絡提供的位置 信息、地磁羅盤提供的航向信息對此組合導航系統(tǒng)的誤差進行實時的校正和補償，克服了 GPS定位方法由于信號遮擋不能正常定位的欠缺，也解決了 MINS定位技術中由于陀螺儀和 加速度計隨時間積累誤差較大，不能單獨、長時間定位的問題。更重要的是，由于本系統(tǒng)同 時集成了 CDMA手機定位系統(tǒng)、地磁羅盤和GPS定位系統(tǒng)，因此在GPS不能正常工作的情況 下，仍可利用CMDA手機定位系統(tǒng)提供的位置信息和地磁羅盤提供的航向信息對MINS系統(tǒng) 的誤差進行實時的校正和補償。本發(fā)明體積小、功耗低、成本低，且功能齊全、接口豐富，完 全能滿足地面城市交通、航海以及小型智能機器人等中低精度的定位和定向的要求。


圖1本發(fā)明第一實施例原理示意圖。圖2本發(fā)明第一實施例慣性導航模塊示意圖。圖3本發(fā)明第一實施例利用聯(lián)邦卡爾曼濾波組合導航方法示意圖。其中XI、X2、X3表示各子濾波器的局部最優(yōu)估計；PI、P2、P3分別表示估計值XI、X2、X3的均方誤差陣；β 1、β 2、β 3表示各子濾波器中慣導信息分配系數(shù)；Xg表示MINS/GPS/CDMA手機網(wǎng)絡/地磁羅盤組合導航系統(tǒng)通過聯(lián)邦卡爾曼濾波進 行數(shù)據(jù)融合后得到的最和導航結果。圖4本發(fā)明第一實施例判斷GPS信號強度、判斷CDMA手機網(wǎng)絡信號強度及確定導 慣導信息量分配系數(shù)流程示意圖。其中β 1 :MINS/GPS子濾波器的慣導信息分配系數(shù)；β 2 :MINS/CDMA手機網(wǎng)絡子濾波器的慣導信息分配系數(shù)；β 3 =MIN/地磁羅盤子濾波器的慣導信息分配系數(shù)。圖5時間同步模塊同步原理示意圖。圖6本發(fā)明第一實施例MINS模塊是GPS模塊數(shù)據(jù)同步示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明本發(fā)明實 施例的一種(MINS/GPS/CDMA手機網(wǎng)絡/地磁羅盤)組合導航裝置和方 法，通過接收GPS信號解析成GPS導航數(shù)據(jù)，通過CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號到達時間差進行三角定位，通過慣性采集模塊實時采集的慣性導航數(shù)據(jù)，通過地磁羅盤采集地磁數(shù)據(jù)，實時 確定載體的航向角。根據(jù)GPS信號強弱、CDMA手機網(wǎng)絡信號強弱按圖四所示方法動態(tài)的 確定各子濾波器中慣性導航信息分配系數(shù)，通過導航計算機中的聯(lián)邦卡爾曼濾波器對MINS 微慣性導航數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)和地磁羅盤方位角數(shù)據(jù)進行 數(shù)組合導航，并通過顯示模塊向用戶做出導航提示，從而使本發(fā)明能夠提供比任何單一導 航系統(tǒng)更精確穩(wěn)定的導航數(shù)據(jù)，并達到在GPS導航盲區(qū)或者GPS和CDMA手機網(wǎng)絡均為盲區(qū) 的情況下進行導航的目的。如圖1所示，為本發(fā)明導航裝置實施例原理示意圖。該導航裝置包括CDMA手機 網(wǎng)絡導航模塊1，用于接收CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號，并利用各基站導頻信號的到達時間差 進行三角定位；慣性導航模塊2，用于實時采集慣性導航數(shù)據(jù)；地磁羅盤導航模塊3，用于實 時的提供載體的方位角；GPS模塊4，用于接收GPS信號，并對所述GPS信號進行解析處理， 生成GPS導航數(shù)據(jù)；時間同步模塊5，用于同步來自各個不同導航模塊的導航數(shù)據(jù)；導航計 算機模塊6，根據(jù)所述GPS信號的強弱、CDMA手機網(wǎng)絡信號的強弱動態(tài)的確定慣性導航信息 分配系數(shù)，并利用聯(lián)邦卡爾曼濾波器對所述GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)、地磁羅 盤方位角數(shù)據(jù)和慣性導航數(shù)據(jù)進行校正和數(shù)據(jù)融合，生成導航數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)顯示模塊7，以圖 像或者語音方式輸出所述導航信息。所述時間同步模塊5通過RS-232串行接口與所述GPS 導航模塊4、所述CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊1，所述地磁羅盤模塊3和所述慣性模塊2連接。 所述時間同步模塊通過RS232串行口與所述導航計算機6連接。
所述導航計算機模塊6根據(jù)所述GPS模塊4接收的GPS信號的強弱以及所述CDMA 手機網(wǎng)絡導航模塊1的信號強弱按著圖四所示的方式實時確定各子濾波器中的慣性導航 信息分配系數(shù)，并利用如圖三所示的聯(lián)邦卡爾曼濾波器對GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡導 航數(shù)據(jù)、地磁羅盤導航數(shù)據(jù)和慣性導航數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，生成組合導航信息。所述融合是 根據(jù)聯(lián)邦卡爾曼濾波理論，選擇慣性導航系統(tǒng)為公共參考系統(tǒng)，依次構成MINS/GPS子濾波 器、MINS/CDMA手機網(wǎng)絡子濾波器和MINS/地磁羅盤子濾波器，并利用所述三個子濾波器生 成局部最優(yōu)估計。最后根據(jù)各子系統(tǒng)慣性導航信息分配系數(shù)和各子系統(tǒng)的局部最優(yōu)估計通 過主濾波器進行全局最優(yōu)估計，得到組合導航數(shù)據(jù)。所述慣性導航數(shù)據(jù)是指根據(jù)慣性數(shù)據(jù) 實現(xiàn)導航的數(shù)據(jù)，可以包括速度數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)、角度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)和角加速度等慣 性數(shù)據(jù)。所述地磁羅盤導航數(shù)據(jù)是指利用地磁羅盤所確定的載體航向角。所述GPS導航數(shù) 據(jù)是指對GPS信號進行處理生成的導航數(shù)據(jù)，可以是精度數(shù)據(jù)、緯度數(shù)據(jù)、速度數(shù)據(jù)、高度 數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星個數(shù)等。所述CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)主要是指通過CDMA手機網(wǎng)絡 導頻信號到達時間差確定的位置數(shù)據(jù)，包括精度數(shù)據(jù)、緯度數(shù)據(jù)等。所述慣性導航信息分配 系數(shù)是指，在進行聯(lián)邦卡爾曼濾波時，根據(jù)信息守恒定律，作為參考系統(tǒng)的慣性導航系統(tǒng)所 能提供的導航信息總量是不變的。因為為了更好的率用慣性導航信息，就需要根據(jù)各子濾 波器提供的估計信息質(zhì)量的優(yōu)劣，來合理確定慣性導航信息在各子濾波器中的使用權重。如圖2所示，所述慣性導航模塊2包括采集加速度數(shù)據(jù)的加速度采集單元21、角速 度采集單元22和慣性導航模塊控制單元23.所述加速度采集單元21、角速度采集單元22 通過I2總線與所述慣性導航模塊控制單元單元23連接，經(jīng)過慣性導航模塊控制單元23處 理后生成慣性導航數(shù)據(jù)。所述慣性導航模塊控制單元23通過RS-232串口與導航計算機6 相連，由導航計算機中的聯(lián)邦卡爾曼濾波器進行濾波處理。
所述CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊1采用高通公司的GPSONE模塊，利用現(xiàn)有的CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號，通過導頻信號到達時間差進行手機網(wǎng)絡定位，并通過RS-232串口與時間 同步模塊連接，并最終利用導航計算機中的三角定位算法對CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)進行 處理，進行CDMA手機網(wǎng)絡定位。所述GPS導航模塊4接收GPS信號，并對該GPS信號進行解析處理，生成GPS導航 數(shù)據(jù)，由所述導航計算機6對GPS導航數(shù)據(jù)進行解析處理，生成GPS導航信息。一種(MINS/CDMA手機網(wǎng)絡/地磁羅盤/GPS)組合導航方法，包括步驟DGPS信號，并解析生成GPS導航數(shù)據(jù)；2)通過慣性導航單元采集慣性導航數(shù)據(jù)；3)通過CDMA手機網(wǎng)絡接收手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TDOA)，通過定位算法 進行定位；4)通過地磁羅盤采集地磁數(shù)據(jù)，并輸出載體的航向角；5)選擇MINS微慣性導航系統(tǒng)為公共參考系統(tǒng)，與其余子系統(tǒng)分別組合，構成3個 卡爾曼濾波子系統(tǒng)；根據(jù)所述GPS導航數(shù)據(jù)確定的GPS信號載噪比、地磁羅盤得到的航向角 以及所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量，動態(tài)的改變慣性導航信息在各子濾波器中的分配 系數(shù)。利用聯(lián)邦卡爾曼濾波對所述GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡導航數(shù)據(jù)、MINS慣性導航 數(shù)據(jù)在主濾波器中進行數(shù)據(jù)融合，生成導航數(shù)據(jù)；7)輸出導航數(shù)據(jù)。根據(jù)所述GPS導航數(shù)據(jù)確定GPS信號載噪比，根據(jù)所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì) 量，對所述GPS導航數(shù)據(jù)、所述慣性導航數(shù)據(jù)、所述地磁羅盤數(shù)據(jù)和所述CDMA手機網(wǎng)絡定位 數(shù)據(jù)進行聯(lián)邦卡爾曼濾波，生成導航信息的步驟還包括I)判斷GPS信號載噪比；II)判斷CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量；III)根據(jù)GPS信號載噪比和CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量動態(tài)的確定在進行聯(lián)邦 卡爾曼濾波時，慣性導航信息在MINS/GPS導航子濾波器、MINS/CDMA手機網(wǎng)絡定位導航子 濾波器中的利用權重。IV)根據(jù)所述慣性導航數(shù)據(jù)在各子濾波器中的權重，在主濾波器中進行導航數(shù)據(jù) 融合，生成導航信息。如圖3、圖4所示，所述GPS信號強弱根據(jù)載噪比及衛(wèi)星個數(shù)確定，若載噪比大于等 于35dB/Hz且衛(wèi)星個數(shù)大于等于4個，則GPS信號為強；若載噪比大于等于20dB/Hz并小于 35dB/Hz且衛(wèi)星個數(shù)大于等于4個，則GPS信號為弱；弱載噪比小于20dB/Hz或者衛(wèi)星個數(shù) 小于等于4個，則為GPS信號盲區(qū)。所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號強弱根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量已經(jīng)CDMA手 機網(wǎng)絡基站個數(shù)確定，若信號質(zhì)量大于等于50dB且CDMA基站數(shù)大于等于3個，則CDMA手 機網(wǎng)絡導頻信號為強；若導頻信號質(zhì)量大于等于25dB且小于50B同時CDMA基站數(shù)量大于 等于3個，則CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱；若導頻信號質(zhì)量小于25dB或者CDMA基站數(shù)量 小于3個，則為CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號盲區(qū)。在聯(lián)邦卡爾曼濾波系統(tǒng)中，所述各子濾波器中的慣性導航信息分配系數(shù)的總和為 1 ；
所述慣性導航信息分配的一般原則是在所述個子濾波器中，子系統(tǒng)的精度越差， 則慣性導航信息的信息分配系數(shù)就應該越大；子系統(tǒng)的精度越高，子濾波器的濾波精度受 慣性導航信息分配系數(shù)的影響就越小，在這種情況下，慣性導航信息分配系數(shù)應該取得小 些，以便使總量有限的慣性導航信息在較低精度子系統(tǒng)所在的子濾波器能充分發(fā)揮作用。a)若所述GPS信號為強，則所述慣性導航信息分配系數(shù)在MINS/GPS導航子濾波器 中取0. 2，其余子濾波器的分配系數(shù)約為0. 4 ；b)若所述GPS信號為弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分配 系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 4，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 2，其余的 子濾波器的分配系數(shù)取0. 4 ；c)若所述GPS信號為弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 33，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 33，其余 的子濾波器的分配系數(shù)取0. 33 ；d)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分 配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 9，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 05，其 余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 05 ；e)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分 配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49，其 余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 02 ；f)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為盲區(qū)，則慣性導航信息 分配系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49， 其余的子濾波器的分配系數(shù)取0. 02。如圖5所示，所述時間同步模塊5通過三個RS232串口同時接收來自⑶MA手機網(wǎng) 絡導航模塊1、MINS慣性導航模塊2、地磁羅盤模塊3和GPS導航模塊4的導航數(shù)據(jù)，并以 GPS模塊的秒脈沖信號作為時間基準，利用拉格朗日插值法對各個導航模塊的導航數(shù)據(jù)進 行時間同步。所述導航計算機模塊6，通過一個RS232串口與時間同步模塊5相連，接收來自經(jīng) 時間同步模塊5同步后的導航數(shù)據(jù)，并用導航計算機模塊6中的聯(lián)邦卡爾曼濾波器對來自 各個導航模塊的導航數(shù)據(jù)進行融合，產(chǎn)生最優(yōu)估計的組合導航數(shù)據(jù)。所述信息顯示模塊7，將導航計算機模塊6輸出的組合導航數(shù)據(jù)進行顯示。為了更清楚說明本發(fā)明實施例，本發(fā)明導航裝置工作過程如下所述導航計算6根據(jù)所述GPS模塊4對GPS信號解析處理生成的GPS導航數(shù)據(jù)， 根據(jù)GPS信號的載噪比和GPS衛(wèi)星數(shù)量確定GPS信號的強弱；所述導航計算機6根據(jù)所述 CDMA手機網(wǎng)絡信號質(zhì)量和CDMA手機網(wǎng)絡基站數(shù)量確定CDMA手機網(wǎng)絡導航信號強弱；所述 導航計算機6根據(jù)GPS信號的強弱和CDMA手機網(wǎng)絡信號的強弱確定各子濾波器中的慣性 導航信息分配系數(shù)，最后利用導航計算機6中的聯(lián)邦卡爾曼濾波器對GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手 機網(wǎng)絡導航數(shù)據(jù)、慣性導航數(shù)據(jù)、地磁羅盤導航數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和融合，生成導航信息。 該導航信息通過信息顯示模塊7進行顯示。所述GPS導航模塊可以是NovAtel公司的0EMV-1GPS導航模塊OEM板，所述慣性 導航模塊可以是IrmaLabs公司的AHRS2航向姿態(tài)模塊，所述CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊可以是高通公司GPSONE手機導航模塊，所述地磁羅盤模塊可以是三維數(shù)字電子羅盤HMR3000。 為了更清楚說明本發(fā)明裝置實例，本發(fā)明時間同步模塊具體結構和工作方式如 下所述時間同步模塊需要對GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡導航數(shù)據(jù)、地磁羅盤數(shù)據(jù) 和慣性導航數(shù)據(jù)進行時間同步。如圖5所示，整個時間同步模塊由名為MUC1、MCU2、MCU3的 三片ATMEGA128單片機構成，其中MCUl和MCU2利用其自帶的兩個串口分別接收來自四個 導航模塊的導航數(shù)據(jù)。MCU3通過并行數(shù)據(jù)總線接收經(jīng)過MCUl和MCU2時間同步處理后的導 航數(shù)據(jù)，并通過RS232串口傳送給導航計算機。MCUU MCU2、MCU3均利用GPS模塊的秒脈沖作為時間基準，以達到精確同步的目 的。MCU1、MCU2、MCU3利用GPS模塊秒脈沖進行時間同步的原理為，GPS模塊秒脈沖輸出分 別與與MCU1、MCU2、MCU3的外部中斷引腳相連，每當MCU外部中斷引腳收到GPS秒脈沖信 號時，會立即產(chǎn)生硬件中斷，啟動MCU內(nèi)部的定時器。同時MCU會始終查詢其各個串口的狀 態(tài)，每當串口收到數(shù)據(jù)時，以串口收到數(shù)據(jù)幀的尾部作為時標點，記錄此時的定時器值以及 此時刻對應的導航數(shù)據(jù)。當下次GPS秒脈沖信號到達MCU并產(chǎn)生中斷時，MCU便可利用拉 格朗日插值法，外推出當前時刻各導航模塊的導航數(shù)據(jù)。下面以慣性導航數(shù)據(jù)與GPS導航數(shù)據(jù)進行時間同步的過程為例進行具體說明設MINS的數(shù)據(jù)更新周期為Tins，由于INS頻標漂移而導致的Tins變化是緩慢而細 微的，這種漂移的累積效應只導致INS和GPS的時標差At變化，可認為Tins是恒定的。GPS 的秒同步脈沖(1PPS，每秒一個脈沖)和UTC(世界協(xié)調(diào)時)秒點是對齊的，是非常準確的。 GPS接收機嚴格地在每一個IPPS脈沖的邊沿時刻進行一次偽距、偽距變化率、載波相位測 量、GPS標準授時、定位等測量，所以可以認為GPS的數(shù)據(jù)更新頻率就是準確的1Hz。Tins遠 遠小于1S，一般都小于50ms，所以，利用GPS的IPPS秒脈沖作為同步的標準時刻，進行融合 數(shù)據(jù)的同步是很好的選擇。兩路數(shù)據(jù)的同步示意圖如圖6所示，圖中長豎線表示GPS的IPPS脈沖，即GPS數(shù)據(jù) 更新點；短豎線表示INS數(shù)據(jù)更新時刻。從圖6可以看出，在GPS數(shù)據(jù)更新點上，INS沒有 數(shù)據(jù)輸出。設INS和GPS的同步時間差為Δ τ而在同步時間點(1PPS脈沖上沿)上，INS 和GPS的時標差為At。只要得到每個IPPS脈沖之前的INS輸出同步時間差Δ τ經(jīng)過拉 格朗日插值外推即可算出INS在每個IPPS點上的值，這樣就獲取到了兩路信號在同一時間 點上的同步化量測數(shù)據(jù)。
權利要求
一種組合導航裝置，其特征在于包括GPS導航模塊，用于接收GPS信號，并對所述GPS信號進行解析，生成GPS導航數(shù)據(jù)；MINS慣性導航模塊，用于采集慣性導航數(shù)據(jù)；CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊，根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TDOA)，進行定位；地磁羅盤導航模塊，地磁羅盤模塊內(nèi)部包含了三軸磁通量計，根據(jù)其自帶的全球地磁數(shù)據(jù)庫實時的提供載體的方位角；時間同步模塊，將GPS導航模塊、CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊、地磁羅盤導航模塊以及MINS微慣性導航模塊的導航數(shù)據(jù)輸出進行時間同步；導航計算機，用于接收上述四種導航模塊的導航數(shù)據(jù)，并根據(jù)GPS導航模塊和CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊的信號強弱情況，通過聯(lián)邦卡爾曼濾波進行組合導航定位；子濾波器1，負責MINS和GPS的位置和速度信息融合，其量測信息主要是指GPS和SINS形成的位置、速度信息；子濾波器2，負責MINS和CDMA手機網(wǎng)絡信息融合，其量測信息主要指二者的位置信息融合；子濾波器3，負責MINS和地磁羅盤位置和姿態(tài)信息融合，其量測信息是地磁羅盤和MINS形成的位置、速度觀測信息；主濾波器，一方面對各子濾波器進行信息綜合與分配，另一方面將系統(tǒng)狀態(tài)誤差的估計值反饋給慣導系統(tǒng)，以校正其累積誤差。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種組合導航裝置，其特征在于，所述CDMA手機網(wǎng)絡導航模 塊，根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TD0A)，通過三角定位算法進行定位。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種組合導航裝置，其特征在于，所述MINS慣性導航模塊包括加速度采集單元，與MINS慣性導航模塊相連接，用于實時采集加速度數(shù)據(jù)； MEMS陀螺儀單元，與MINS慣性導航模塊相連接，用于實時采集角速率。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種組合導航裝置，其特種在于，所述地磁羅盤導航模塊包括地磁場采集單元，用于采集載體所在位置沿東-北-天三個方向的地磁強度； 全球地磁場數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中包含了全球任意經(jīng)緯度的地磁信息，地磁羅盤導航模塊 根據(jù)地磁場采集單元采集到得地磁場強度數(shù)據(jù)、載體所在的經(jīng)緯度和全球地磁場數(shù)據(jù)庫確 定出載體的航向。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種組合導航裝置，其特種在于，所述時間同步模塊包括 GPS秒脈沖信號接收端，用于接收來自GPS導航模塊的秒脈沖同步信號；AVR系列ATMEGA128單片機，通過所述單片機的串口接收來自各個導航模塊的導航數(shù) 據(jù)，利用所述單片機的計數(shù)器對來自所述GPS導航模塊的秒脈沖信號進行計數(shù)，最后用拉 格朗日插值算法對MINS微慣性導航模塊、CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊和地磁羅盤導航模塊的 導航數(shù)據(jù)進行插值計算，最終對各個導航模塊的導航數(shù)據(jù)進行時間同步。
6.一種組合導航實施方法，其特征在于，包括如下步驟1)采用GPS導航模塊接收GPS信號，并解析生成GPS導航數(shù)據(jù)；2)通過MINS慣性導航模塊采集慣性導航數(shù)據(jù)；3)通過CDMA手機網(wǎng)絡導航模塊接收手機網(wǎng)絡導頻信號的到達時差(TD0A)，通過定位 算法進行定位；4)通過地磁羅盤導航模塊采集地磁羅盤數(shù)據(jù)，并輸出載體的航向角；5)選擇MINS微慣性導航系統(tǒng)為公共參考系統(tǒng)，分別與其余子系統(tǒng)即GPS導航系統(tǒng)、 CDMA手機網(wǎng)絡導航系統(tǒng)和地磁羅盤導航系統(tǒng)分別組合，構成3個卡爾曼濾波子系統(tǒng)；根據(jù) 所述GPS導航數(shù)據(jù)確定的GPS信號載噪比、地磁羅盤導航模塊得到的航向角以及所述CDMA 手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量，動態(tài)的改變慣性導航信息在各子濾波器中的分配系數(shù)；利用聯(lián)邦 卡爾曼濾波對所述GPS導航數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡導航數(shù)據(jù)、MINS慣性導航數(shù)據(jù)在主濾波器 中進行數(shù)據(jù)融合，生成導航數(shù)據(jù)；6)輸出導航數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種組合導航實施方法，其特征在于，根據(jù)所述GPS導航數(shù)據(jù) 確定GPS信號載噪比，根據(jù)所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量，對所述GPS導航數(shù)據(jù)、所述慣 性導航數(shù)據(jù)、所述地磁羅盤數(shù)據(jù)和所述CDMA手機網(wǎng)絡定位數(shù)據(jù)進行聯(lián)邦卡爾曼濾波，步驟 5)所述的生成導航數(shù)據(jù)的步驟還包括I)判斷GPS信號載噪比；II)判斷CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量；III)根據(jù)GPS信號載噪比和CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量即信號的強弱動態(tài)的確定在 進行聯(lián)邦卡爾曼濾波時，慣性導航信息在MINS/GPS導航子濾波器、MINS/CDMA手機網(wǎng)絡定 位導航子濾波器中的利用權重；IV)根據(jù)所述慣性導航數(shù)據(jù)在各子濾波器中的權重，在主濾波器中進行導航數(shù)據(jù)融合， 生成導航數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種組合導航實施方法，其特征在于所述GPS信號強弱根據(jù)載噪比及衛(wèi)星個數(shù)確定，若載噪比大于等于35dB/Hz且衛(wèi)星個 數(shù)大于等于4個，則GPS信號為強；若載噪比大于等于20dB/Hz并小于35dB/Hz且衛(wèi)星個數(shù) 大于等于4個，則GPS信號為弱；若載噪比小于20dB/Hz或者衛(wèi)星個數(shù)小于等于4個，則為 GPS信號盲區(qū)；所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號強弱根據(jù)CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號質(zhì)量已經(jīng)CDMA手機網(wǎng) 絡基站個數(shù)確定，若信號質(zhì)量大于等于50dB且CDMA基站數(shù)大于等于3個，則CDMA手機網(wǎng) 絡導頻信號為強；若導頻信號質(zhì)量大于等于25dB且小于50B同時CDMA基站數(shù)量大于等于 3個，則CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱；若導頻信號質(zhì)量小于25dB或者CDMA基站數(shù)量小于3 個，則為CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號盲區(qū)。
9.根據(jù)權利要求6所述的一種組合導航實施方法，其特征在于在聯(lián)邦卡爾曼濾波系統(tǒng)中，所述各子濾波器中的慣性導航信息分配系數(shù)的總和為1。
10.根據(jù)權利要求8所述的一種組合導航實施方法，其特征在于a)若所述GPS信號為強，則所述慣性導航信息分配系數(shù)在MINS/GPS導航子濾波器中取 0. 2，其余子濾波器的分配系數(shù)約為0. 4 ；b)若所述GPS信號為弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分配系數(shù) 在MINS/GPS子濾波器中取0. 4，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 2，其余的子濾 波器的分配系數(shù)取0. 4 ；c)若所述GPS信號為弱，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分配系數(shù) 在MINS/GPS子濾波器中取0. 33，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 33，其余的子 濾波器的分配系數(shù)取0. 33 ；d)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為強，則慣性導航信息分配系 數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 9，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 05，其余的 子濾波器的分配系數(shù)取0. 05 ；e)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為弱，則慣性導航信息分配系 數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49，其余的 子濾波器的分配系數(shù)取0. 02 ；f)若所述GPS信號為盲區(qū)，所述CDMA手機網(wǎng)絡導頻信號為盲區(qū)，則慣性導航信息分配 系數(shù)在MINS/GPS子濾波器中取0. 49，在MINS/CDMA手機網(wǎng)絡導航子濾波器中取0. 49，其余 的子濾波器的分配系數(shù)取0. 02。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種組合導航裝置和實施方法，所述裝置包括MINS、地磁羅盤航向系統(tǒng)、GPS、CDMA手機網(wǎng)絡定位系統(tǒng)。本發(fā)明方法如下導航計算機利用時間同步模塊從四個RS232串行口同步接收GPS導航數(shù)據(jù)、MINS航位推算數(shù)據(jù)、CDMA手機網(wǎng)絡定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)、地磁羅盤航向計，并根據(jù)GPS信號載噪比，CDMA手機網(wǎng)絡信號質(zhì)量進行實時的、自適應的組合導航，最后由導航計算機通過導航數(shù)據(jù)顯示模塊實時顯示最終的導航數(shù)據(jù)。本發(fā)明體積小、功耗低、成本低，且功能齊全、接口豐富，完全能滿足地面城市交通、航海以及小型智能機器人等中低精度的定位和定向的要求。
文檔編號H04W64/00GK101867868SQ20101013409
公開日2010年10月20日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權日2010年3月26日
發(fā)明者方琳, 王熙嬴, 祝雪芬, 虞婧, 陳熙源 申請人:東南大學