精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统和方法

摘要

本发明提供一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统和方法。所述高精度导航系统包括：导航终端设备，其包括惯性传感单元、卫星定位接收机、处理模块和无线传输模块，所述惯性传感单元得到惯性观测数据，所述卫星定位接收机得到卫星观测数据，所述无线传输模块将所述卫星观测数据通过无线网络传送出去。导航服务器，接收来自所述导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备。这样，本发明中的导航终端设备可以以非常低的成本提供可高的高精度导航服务。

说明书

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统和方法。

背景技术

精密点定位(Precise Point Position，简称PPP)和惯性导航系统(InertialNavigation System，简称INS)组合是一种行之有效的针对低成本汽车消费市场的高精度定位技术路线。PPP基于多频段全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem，简称GNSS)以及高精度卫星状态空间改正(State Space Representation，简称SSR)，被广泛应用于实时高精度定位领域。但是在恶劣的观测环境下这种高精度GNSS定位的连续性和可靠性都会明显降低，从而导致自动驾驶系统的错误判断。INS基于惯性传感单元进行导航，不受外界信号或遮挡干扰，可以克服PPP的弊端。由于惯性传感单元中的陀螺仪和加速度计的误差会随时间累积，INS的精度也会随时间明显降低。PPP和INS的组合系统通过GNSS与INS的观测值组合克服了单个系统的缺陷，提高了定位精度，可靠性以及可用性。但PPP和INS的组合系统在低成本终端的实现将面临以下的困难：

1)SSR改正数据一般通过通信卫星L波段或者无线网络播发，在卫星信号观测条件差的情况下，SSR改正数据接收会受到影响；

2)导航终端设备必须支持通信卫星L波段解码协议和Ntrip协议，RTCM(RadioTechnical Commission for Maritime Services)信息格式，SSR改正数据解码以及相应的轨道，钟差以及伪距相位偏差计算。常用的RTCM3数据包类型以及内容如下表所示：

3)PPP相关的误差改正计算，模糊度固定以及Kalman(卡尔曼)滤波的组合等复杂的数据处理算法需要大量的计算能力以及功耗；

4)目前低成本GNSS接收机由于信号频道数量限制，在保证多系统的前提之下，无法保证双频观测值数量，无法通过双频电离层无关组合消除电离层延迟的影响。

5)模糊度的正确固定对PPP收敛起着至关重要的作用。对于测量级GNSS接收机,PPP技术通常需要15-30分钟收敛到无人驾驶技术的定位精度要求即水平10厘米以内。对于低成本设备，模糊度的固定将会更加困难，因此PPP的收敛时间以及收敛后的精度是一个亟待解决的核心问题。传统的模糊度固定通常在浮点模糊度达到一定精度后使用LAMBDA方法进行模糊度去相关以及整周模糊度搜索。得到两组整周模糊度组合并进行ratio检测。如果通过检测则认为最优的模糊度组合可以被固定。但实际上一些微小的模糊度偏差可以能导致无法通过ratio可检测，使PPP定位无法收敛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统和方法，其可以使低成本的导航终端设备提供可靠的高精度导航服务。

为实现发明目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统，其包括：导航终端设备，其包括惯性传感单元、卫星定位接收机、处理模块和无线传输模块，所述惯性传感单元得到惯性观测数据，所述惯性观测数据包括加速度传感数据和角速度传感数据，所述处理模块对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量和惯性速度变化量，基于先前惯性位置以及惯性位置变化量得到当前惯性位置，基于先前惯性速度以及惯性速度变化量得到当前惯性速度，所述卫星定位接收机得到卫星观测数据，所述卫星观测数据包括伪距观测值、相位观测值和多普勒观测值，所述无线传输模块将所述卫星观测数据通过无线网络传送出去；导航服务器，接收来自所述导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度，其中所述导航终端设备的处理模块以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度，所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航方法，其包括：导航终端设备的惯性传感单元得到惯性观测数据，所述惯性观测数据包括加速度传感数据和角速度传感数据，导航终端设备的处理模块对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量和惯性速度变化量，基于先前惯性位置以及惯性位置变化量得到当前惯性位置，基于先前惯性速度以及惯性速度变化量得到当前惯性速度；导航终端设备的卫星定位接收机得到卫星观测数据，所述卫星观测数据包括伪距观测值、相位观测值和多普勒观测值；导航终端设备的无线传输模块将所述卫星观测数据通过无线网络传送出去；导航服务器接收来自所述导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度，其中所述导航终端设备的处理模块以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度，所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。

与现有技术相比，本发明中的导航终端设备可以以非常低的成本提供可高的高精度导航服务。

附图说明

图1为本发明的高精度导航系统在一个实施例中的结构示意图；

图2为本发明中的导航终端设备在一个实施例中的结构示意图；

图3为本发明中的导航服务器在一个实施例中的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

本发明提供精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航系统，基于这种架构高精度导航系统可以在低成本(比如50美元)的导航终端设备上运行，从而可以提供可靠的高精度导航服务，比如定位精度要达到10厘米以内，进而支持自动驾驶的导航。

图1为本发明的高精度导航系统100在一个实施例中的结构示意图。所述高精度导航系统100包括导航终端设备102和导航服务器106。

所述导航终端设备102可以有很多个。所述导航终端设备102可以安装于机动车辆上，从而对所述机动车辆的驾驶导航，尤其是无人驾驶，进行高精度导航。所述导航终端设备102可以通过无线网络104与所述导航服务器106进行通讯。所述无线网络104可以是2G、3G、4G或5G网络，也可以是多个网络的组合，比如蓝牙+4G，Wifi+4G，Wifi+因特网+5G等等，本发明对于所述无线网络104的具体类型并无要求，只要能够支持稳定的通讯即可。

图2为本发明中的导航终端设备102在一个实施例中的结构示意图。所述导航终端设备102包括惯性传感单元210、卫星定位接收机220、处理模块230和无线传输模块240。所述惯性传感单元210得到惯性观测数据。所述惯性传感单元210包括加速度传感器211和陀螺仪212，所述惯性观测数据包括加速度传感器211得到的加速度传感数据和陀螺仪212得到的角速度传感数据。所述处理模块230对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量δp

在一个实施例中，所述无线传输模块230将所述卫星观测数据通过无线网络104传送出去。所述导航终端设备102可以是封装入一个盒子里的一个设备，也可以是封装入两个或多个独立盒子的两个或多个设备，这些设备联合运行实现所述导航终端设备102的作用。在实现时，所述无线传输模块240可以与其他模块位于同一个盒子里，也可以与其他模块位于不同的盒子里。

所述导航服务器106接收来自所述导航终端设备102的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络104传送回所述导航终端设备102，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度。

所述导航终端设备102的处理模块230以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度。所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。具体的，所述卫星观测数据的样本率通常为1-10，即每秒钟得到1-10个卫星观测数据，比如1，所述惯性观测数据的样本率为50-1000，即每秒钟得到50-1000个惯性观测数据，比如100。

在一个优选的实施例中，所述无线传输模块240还将所述惯性观测数据通过无线网络传送至所述导航服务器106，此时，所述导航服务器106结合所述惯性观测数据以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。在另一个可替换的实施例中，所述无线传输模块240还将惯性位置变化量和惯性速度变化量通过无线网络传送至所述导航服务器106，所述导航服务器106结合惯性位置变化量、惯性速度变化量以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。所述导航服务器104还可以根据所述惯性观测数据，或者惯性位置变化量和惯性速度变化量，得到姿态信息，所述导航服务器104将所述姿态信息也传回所述导航终端设备102以进行导航。

由于PPP/INS组合定位核心算法在所述导航服务器106上实现，导航终端设备102只需通过无线网络将观测数据回传至所述导航服务器106即可，在所述导航服务器106运算完毕后会将最终的卫星导航数据回传至所述导航服务器106。这样，在导航终端设备102上并不涉及定位相关的计算以及后面大计算量的数据处理，因此可极大程度上降低导航终端设备的计算能力和功耗要求，可以尽可能的降低所述导航终端设备102的成本。

本发明中的高精度导航系统100可以用于自动驾驶，也可以用于其他的高精度导航的其他应用。

所述高精度导航系统100可以支持GPS，GLONASS(格洛纳斯),GALILLEO(伽利略)以及BEIDOU(北斗)四个系统。

在一个实施例中，所述导航服务器106通过如下计算基于惯性位置变化量、惯性速度变化量以及所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据。图3为本发明中的导航服务器106在一个实施例中的结构示意图。

PPP观测值模型如下

公式(1),(2)和(3)中,P,L和D分别代表GNSS伪距,相位以及多普勒观测值；下标j和s分别频率和卫星PRN号；p为位置；v为速度；c为光速；t为钟差；r为接收机，d为伪距偏差；u为相位偏差；T为对流层延迟；I为电离层延迟；N为模糊度。△P和△L为伪距和相位的各项误差改正。ε为观测值误差。

对于GPS,GLONASS,GALILLEO以及BEIDOU四系统，PPP模型状态参数为：

INS的观测值模型为：

公式(5)-(7)中,S

p

v

紧组合观测值模型如下：

组合导航模型状态参数为：

在一个优选的实施例中，所述导航服务器106基于多个导航终端设备发来的卫星观测数据对高精度卫星状态空间改正SSR改正数据进行交互检测，以更正所述高精度卫星状态空间改正。所述导航服务器对一个或多个导航终端设备的卫星导航数据对另一个导航终端设备的卫星导航数据进行交互检测。具体应用情景如下：1)在电离层模型的基础上，如果区域内有终端设备位置收敛，可以计算该设备观测值对应的电离层斜方向延迟来检测和修正电离层模型；2)如果发现一个终端设备附近有另外一个终端设备数据回传至服务器，可以直接从精密点定位模式切换为RTK(Real time kinematic)模型加快位置信息收敛。

在一个优选的实施例中，所述导航服务器接收来自从其他数据源的RTCM格式的SSR改正数据，所述导航服务器基于所述SSR改正数据、来自导航终端设备的RTCM格式的卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据。

在一个实施例中，为了降低成本，所述导航终端设备102仅能提供单频的卫星观测数据，所述导航服务器106在基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据的过程中需要估计电离层延迟。优选的，所述导航服务器106在估计电离层延迟时采用全球电离层模型作为改正，来估计电离层斜方向延迟并对其进行约束进而估计得到电离层延迟，来保证精密点定位的定位精度和收敛时间。

所述采用全球电离层模型作为改正，估计电离层斜方向延迟并对其进行约束具体为：

其中，vtec为垂直方向电离层电子数；N,M分别为电离层球谐函数级数和阶数；C

电离层延迟约束函数为，

在一个实施例中，所述导航服务器106在基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备102的卫星导航数据的过程中需要进行模糊度固定。所述导航服务器106在模糊度固定时采用整周模糊度加权平均策略，在浮点模糊度达到预定精度后使用LAMBDA方法进行模糊度去相关以及整周模糊度组合搜索，并根据与搜索整周模糊度与其对应浮点模糊度的残差平方和计算该模糊度组合的权重，得到最优的n组模糊度组合及其权重计算加权平均模糊度，如果该加权平均模糊度与整数的插值小于预定阈值，比如0.001，直接将其固定。

在一个实施例中，所述导航终端设备102将卫星观测数据以1Hz的频率通过rtcm3格式发送至导航服务器106。所述导航终端设备102通过公式(5)-(7)计算，也将公(8)和(9)中的δp

所述导航服务器接收，解码卫星观测数据，广播星历，SSR改正和计算PPP所需的GNSS各项误差改正。

通过RTCM3解码后可以得到相应的信息，除了卫星轨道和钟差以外，其他信息具体对应的改正可以在公式(1)-(3)中找到。

RTCM3轨道钟差改正信息如下：

Δ

公式(15)-(17)中δO

δt＝C

Δt

然后通过公式(1)-(14)计算获取用户位置，速度，时间，姿态信息，GNSS相关状态信息(大气误差，浮点模糊度等)以及INS相关状态信息(加速计和陀螺仪偏差和尺度因子等)。在得到可靠的浮点模糊度之后，采用上述的整周模糊度加权平均策略更新模糊度。得到更新模糊度后的结果。

根据本发明的另一个方面，本发明可以实现为一种精密点定位和惯性导航系统组合的高精度导航方法。所述高精度导航方法包括：导航终端设备的惯性传感单元得到惯性观测数据，所述惯性观测数据包括加速度传感数据和角速度传感数据，导航终端设备的处理模块对加速度传感数据和角速度传感数据进行计算得到惯性位置变化量和惯性速度变化量，基于先前惯性位置以及惯性位置变化量得到当前惯性位置，基于先前惯性速度以及惯性速度变化量得到当前惯性速度；导航终端设备的卫星定位接收机得到卫星观测数据，所述卫星观测数据包括伪距观测值、相位观测值和多普勒观测值；导航终端设备的无线传输模块将所述卫星观测数据通过无线网络传送出去；导航服务器接收来自所述导航终端设备的卫星观测数据，基于所述卫星观测数据计算得到所述导航终端设备的卫星导航数据，将所述卫星导航数据通过无线网络传送回所述导航终端设备，所述卫星导航数据包括卫星导航位置和卫星导航速度，其中所述导航终端设备的处理模块以所述卫星导航位置为基准，结合当前惯性位置得到当前组合导航位置，以所述卫星导航速度为基准，结合当前惯性导航速度得到当前组合导航速度，所述卫星观测数据的样本率低于所述惯性观测数据的样本率，所述卫星观测数据的样本率是指每秒得到的卫星观测数据的个数，所述惯性观测数据的样本率是指每秒得到的惯性观测数据的个数。

关于高精度导航方法的相关实现细节可以参考上文的高精度导航系统，此处不再重复了。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。