专利名称：磁导航辅助gps/ins组合导航定位系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统及其控制方法，属于机动车辆导航定位领域。
背景技术：
随着交通事业的日益发展，汽车已经在人民生活中发挥着越来越大的作用。随着人们出行频率的増加，对车载GPS导航系统的需求也日益增强。目前民用GPS水平定位精度已经达到IOm左右，在一定程度上满足了车辆定位的精度要求。 GPS (全球定位系统)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的全球卫星导航定位系统。GPS系统通过接收分布在空中的24颗导航卫星发送的无线信号来计算定位信息，具有全球性、全天候、实时性等优点。但是由于车辆经常行驶于城市高楼间，或者行驶于高架桥下、隧道吋，GPS信号将会丢失，不能提供导航和定位功能，不能满足某些需要实时定位的公共服务车辆和特种车辆的功能需求。INS (惯性导航系统)系统具有自主导航能力，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能够连续的提供载体位置、速度和姿态等导航定位信息，其数据更新频率快，且在短时间内具有较高的相对精度。但是，随着系统工作时间的延长，INS系统的导航误差会随之积累增长，此时就需要利用外部观测信息来修正INS系统，以控制其随时间积累的误差。磁导航是自动公路系统的ー种基本导航方式，因为磁导航基本不受道路条件和气候条件的影响，其实用性前景也最被看好。其中磁钉导航是磁导航的ー种主要应用形式。传统的应用磁钉导航的自动公路系统中，车道中心线上埋置等间距的磁道钉作为车辆导航的信息源，通过车载磁传感器检测磁信号的大小来判断车辆是否偏离车道中心线并以此来进行下一歩的车辆自动控制。
发明内容
本发明提出了一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统及其控制方法。利用铺设在路上的磁钉将精确的绝对位置信息进行编码，以辅助GPS/INS组合导航。该方法可以整合多个子导航信息，克服了 GPS导航系统易受环境影响以及INS的导航定位误差随时间延续不断増大的缺陷。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案
一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统，包括GPS接收机、惯性导航系统、惯性导航系统处理单元、磁钉、磁传感器和中央处理单元，所述中央处理单元包含一个解码器和一个卡尔曼滤波模块，惯性导航系统、惯性导航系统处理単元和中央处理单元的卡尔曼滤波模块顺序连接，GPS接收机与中央处理单元的卡尔曼滤波模块连接，磁钉、磁传感器和中央处理单元的解码器顺序连接。所述惯性导航系统包括三轴正交安装的陀螺仪和三轴正交安装的加速度计，所述陀螺仪用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度測量值。所述陀螺仪为光纤陀螺仪。
所述加速度计为硅微加速度计。磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统的控制方法，包括以下步骤
(1)通过GPS接收机接收卫星的定位数据，计算运动物体的GPS导航信息；
(2)通过惯性导航系统处理単元接收惯性导航系统输出的数字信号，进行导航积分计算获得载体位置、速度和姿态导航信息；
(3)磁传感器接收铺设在路上的磁钉的编码信息，并传递给中央处理单元；中央处理器接收到磁传感器传递的编码信息后，对其进行解码，即将编码信息转换为绝对位置信息；
(4)中央处理单元中的卡尔曼滤波模块对接收到的GPS导航信息、惯性导航系统导航 信息以及磁导航信息进行滤波融合计算，得出最終精确的载体导航定位信息。本发明的有益效果如下
(O首次利用卡尔曼滤波对GPS导航、INS导航及磁导航信息进行融合，有效的提高了组合导航定位精度。(2)首次利用ニ进制编码技术将绝对位置信息存储于磁钉中，其中，磁钉正极向上为1，磁钉负极向下为O。由于磁导航不受环境、天气等因素影响，因此能够提供稳定、持续且精确的绝对位置信息。
图I为本发明系统组成框图。图2为组合导航定位系统的控制方法流程图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明创造做进ー步详细说明。如图I所示，一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统包括GPS接收机、INS及INS处理模块、铺设在道路上的磁钉、车载磁传感器及中央处理模块。所述车载磁传感器安装在车辆前保险杠上，数目为两个，呈对称安装。GPS接收机用于输出导航测量信息、可用星历数据以及卫星健康状态数据，INS用于输出惯性测量数据，INS处理模块接收INS输出的数字信号，通过导航积分计算获得载体位置、速度和姿态数据。所述铺设在道路上的磁钉为垂直地面铺设于道路中央，通过编码储存道路的绝对位置信息，编码方法为ニ进制编码，即以ニ进制编码表示精确的经纬度信息。其中，以磁钉正极向上为1，负极向上为O。并通过车载磁传感器将该绝对位置信息传递给车辆，中央处理单元包括一个解码器和ー个卡尔曼滤波模块，能够接收上述GPS接收机、INS处理模块和磁传感器输出的导航信息，通过卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的參数，得到最終的组合导航信息。该方法可以整合多个子导航信息，以得到比子导航信息更高精度和更可靠的导航信息。本发明利用卡尔曼滤波技术将GPS导航定位信息、INS导航定位信息和磁导航定位信息进行数据融合，得到最終的高精度、实时性强，持续性好的导航定位結果。如图2所示，磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统的控制方法分为以下5个重要步骤
(1)通过GPS接收机接收卫星的定位数据，计算运动物体的GPS导航信息；
(2)通过INS处理单元接收INS输出的数字信号，进行导航积分计算获得载体位置、速度和姿态等导航信息；
(3)磁传感器接收铺设在路上的磁钉的编码信息，并传递给中央处理单元。磁钉垂直地面铺设在道路中央，以磁钉正极向上为1，磁钉负极向上为O来进行ニ进制编码，从而表示精确的绝对位置信息。每两个磁钉之间相距I. 2米，每48个磁钉表示某个位置完整的经纬度位置信息，该点为第48个磁钉所在位置。其表示方法为如当地绝对位置为经度48。23' 15"，纬度37° 54' 33"，则可用ニ进制码表示为经度0100 1000 0010 00110001 0101;纬度0011 0111 0101 0100 0011 0011。(4)当载体驶过铺设在道路上的磁钉时，磁传感器通过判断磁钉的正负极向上情况来采集磁钉编码信息并传送给中央处理器。中央处理器接收到磁传感器传递的编码信息后，对其进行解码，即将编码信息转换为绝对位置信息。(5)中央处理单元中的卡尔曼滤波模块对接收到的GPS导航信息、INS导航信息以及磁导航信息进行滤波融合计算，得出最終精确的的载体导航定位信息。其中，GPS与INS 采用位置、速度组合方式，采用GPS接收机给出的星历数据，与捷联惯性导航系统(SINS)输出的速度和位置信息进行计算，求出捷联惯性导航系统(SINS)对应于卫星的伪距和伪距率，将其与GPS接收机解算的伪距和伪距率作差，与磁传感器敏感到的绝对位置信息一起，作为卡尔曼滤波器的观测值。
权利要求
1.一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统，其特征在于包括GPS接收机、惯性导航系统、惯性导航系统处理单元、磁钉、磁传感器和中央处理单元，所述中央处理单元包含一个解码器和ー个卡尔曼滤波模块，惯性导航系统、惯性导航系统处理単元和中央处理单元的卡尔曼滤波模块顺序连接，GPS接收机与中央处理单元的卡尔曼滤波模块连接，磁钉、磁传感器和中央处理単元的解码器顺序连接。
2.根据权利要求I所述的磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统，其特征在于，所述惯性导航系统包括三轴正交安装的陀螺仪和三轴正交安装的加速度计，所述陀螺仪用于提供三轴角速度测量值，所述加速度计用于提供三轴加速度測量值。
3.根据权利要求2所述的磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统，其特征在于所述陀螺仪为光纤陀螺仪。
4.根据权利要求2所述的磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统，其特征在于所述加速度计为硅微加速度计。
5.ー种基于权利要求I所述的磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)通过GPS接收机接收卫星的定位数据，计算运动物体的GPS导航信息； (2)通过惯性导航系统处理単元接收惯性导航系统输出的数字信号，进行导航积分计算获得载体位置、速度和姿态导航信息； (3)磁传感器接收铺设在路上的磁钉的编码信息，并传递给中央处理单元；中央处理器接收到磁传感器传递的编码信息后，对其进行解码，即将编码信息转换为绝对位置信息； (4)中央处理单元中的卡尔曼滤波模块对接收到的GPS导航信息、惯性导航系统导航信息以及磁导航信息进行滤波融合计算，得出最終精确的载体导航定位信息。
全文摘要
本发明公开了一种磁导航辅助GPS/INS组合导航定位系统及其控制方法，属于机动车辆导航定位领域。组合导航定位系统包括GPS接收机、INS及INS处理单元、铺设在道路上的磁钉、车载磁传感器及中央处理模块。中央处理单元包括解码器和卡尔曼滤波模块，接收GPS接收机、INS处理单元和磁传感器的导航信息，通过卡尔曼滤波计算，修正INS处理模块的参数，得到最终的组合导航信息数据。本方法有效地解决了GPS导航系统易受环境影响以及INS的导航定位误差随时间延续不断增大的问题，提高了导航定位精度，实现了不间断的车辆高精度导航定位功能。
文档编号G01S19/49GK102680997SQ20121017364
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者申冲, 陈熙源, 黄浩乾 申请人:东南大学