一种基于MEMS压力传感器协同卫星定位的方法及系统与流程

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于mems压力传感器协同卫星定位的方法及系统。

背景技术：

现有的卫星定位系统，通过导航仪接收卫星信号，首先利用卫星广播的星历，计算出各个卫星的准确位置坐标，接着利用卫星的伪距观测量建立ρ建立伪距观测方程(1)，因为接收机存在钟差，需要把接收机钟差作为未知数与导航仪上的接收机位置坐标(x，y，z)一起求解。

其中，其中，(xi、yi、zi)为由卫星星历求得的卫星瞬时地心坐标，(x、y、z)为待求接收机的地心坐标，c为光速，tr、分别为接收机时钟与卫星时钟的误差，vion为电离层延迟改正数，vtrop为对流层延迟改正数。这里i取值一般在5以上，该伪距观测方程至少满足5个卫星的位置坐标，才可以实现。

通过建立5个以上的伪距观测方式形成求解模型之后，基于卡尔曼滤波求解，即可得出导航定位的位置速度和时间(positionvelocityandtime，pvt)解，通过残差及中误差等进行卫星定位质量分析，当质量分析不合格时，重新基于该求解模型再次求解，直到质量分析合格之后输出定位结果。

现阶段有些区域会存在一些城市峡谷区域，会导致导航系统或者导航仪接收到的卫星会少于5个，导致导航的失灵，无法快速求解或者延迟。现在市场上微电机系统(micro-electro-mechanicalsystem，mems)作为新一代惯性导航进展方式，成本低，能耗小，微型化，相对于传统的惯性导航来说更加实用。mems压力传感器可以计算出带有一定精度的高程维信息，能够为用户提供准确的位置信息，增加定位的可靠性，但没有实现与卫星定位进行紧密的耦合。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点，针对接收机面对5颗以下的卫星定位时，本发明提供一种基于mems压力传感器协同卫星定位的方法及系统，利用mems压力传感器与四颗卫星的结合，可以实现卫星定位有效的补充。

为了实现本发明的目的，本发明提供一种基于mems压力传感器协同卫星定位的方法，包括如下步骤：

导航仪利用卫星广播的星历获取四颗卫星的卫星瞬时地心坐标；

基于地心坐标与大地坐标的转换关系，以导航仪的大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程；基于mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息，并基于高度信息建立高程信息约束方程；

基于伪距观测方程和高程信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。

所述方法还包括：

判断导航仪搜索卫星的数量，当判断导航仪搜索的卫星数量为四颗时，启动mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息。

所述基于mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息还包括：

对所述高度信息进行质量分析，判断所述质量分析是否达标，若所述质量分析不达标，则继续获取高度信息或者停止基于所述高度信息建立高程信息约束方程；在判断所述质量分析达标以后，基于所述高度信息建立高程信息约束方程。

所述方法还包括：

判断导航仪搜索卫星的数量，当判断导航仪搜索的卫星数量为四颗时，启动数字罗盘获取基于大地坐标下的平面方位信息。

所述方法还包括：

将高度信息和平面方位信息进行质量比对，若高度信息优于平面方位信息，则基于高度信息建立高程信息约束方程；若平面方位信息优于高度信息，则基于平面方位信息建立平面信息约束方程，基于伪距观测方程和平面信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标；

或者在高度信息进行质量分析不达标之后，基于平面方位信息建立平面信息约束方程，基于伪距观测方程和平面信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。

所述获取导航仪的大地坐标，通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标包括：

基于所述大地坐标求解模型通过卡尔曼滤波得出导航定位在大地坐标系下的pvt解，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标；

通过残差及中误差进行定位质量分析，在定位质量分析合格之后输出定位结果。

相应的，本发明实施例还提供了一种基于meme压力传感器协同卫星定位的系统，包括：

星历模块，用于获取四颗卫星的卫星瞬时地心坐标；

伪距观测模块，用于基于地心坐标和大地坐标间的转换关系，以导航仪大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程；

mems压力传感器，用于获取基于大地坐标下的高度信息；

高程信息约束模块，用于基于高度信息建立高程信息约束方程；

定位求解模块，用于基于伪距观测方程和高程信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。

所述系统还包括：

卫星数量判断模块，用于判断导航仪搜索卫星的数量；

触发模块，用于在卫星数量判断模块判断导航仪搜索的卫星数量为四颗时，触发mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息。

所述系统还包括：

高度信息质量分析模块，用于对所述高度信息进行质量分析，判断所述质量分析是否达标，若所述质量分析不达标，则继续获取高度信息或者停止高程信息约束模块基于所述高度信息建立高程信息约束方程；在判断所述质量分析达标以后，高程信息约束模块基于所述高度信息建立高程信息约束方程。

所述定位求解模块包括：

卡尔曼滤波单元，用于基于所述大地坐标求解模型通过卡尔曼滤波求解；

pvt解单元，基于卡尔曼滤波求解得出导航定位在大地坐标系下的pvt解，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪地心坐标系下的pvt解；

定位质量分析单元，用于通过残差及中误差进行定位质量分析；

定位输出单元，用于在定位质量分析合格之后输出定位结果。

采用上面的方案后，本发明的有益效果包括：

mems作为新一代惯性导航进展方式，相比于传统的惯性导航器件来说成本低，能耗小，微型化，本方法利用mems压力传感器结合卫星信号实现定位，使定位更为准确，同时成本低，方便民用，现在大多数导航仪如智能手机都有mems器件，大大增加了本方法可行性，同时实现了在卫星信号差或者仅有4个卫星时的协同定位功能。

传统上卫星定位与高度都是分开求解的，国内很少把mems压力传感器与卫星定位耦合起来求解，国外同样是很少把二者结合起来进行卫星定位求解。本发明把mems压力传感器、数字罗盘与卫星导航模型结合起来形成一种紧凑的技术方案，可以解决城市峡谷、树林等遮挡比较严重区域的定位求解难题。

本方法确立mems、数字罗盘、gnss的集成定位模式，是技术上的一个独特思考，根据不同的定位条件，构建出基于mems压力传感器的集成gnss卫星定位体系，当卫星信号不正常只能接收到4颗卫星的情况下，提供协同工作模式进行卫星定位求解，当卫星信号正常时正常求解，灵活性强，能够适应不同类型的定位区域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法流程图；

图2是本发明实施例中的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法第二流程图；

图3是本发明实施例中的基于mems压力传感器协同卫星定位的系统结构示意图；

图4是本发明实施例中的定位求解模块结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所涉及的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法主要通过如下实现：导航仪利用卫星广播的星历获取四颗卫星的卫星瞬时地心坐标，基于地心坐标与大地坐标的转换关系，以导航仪的大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程；基于mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息，并基于高度信息建立高程信息约束方程；基于伪距观测方程和高程信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。

具体的，图1示出了本发明实施例中的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法第一流程图，包括如下步骤：

s101、导航仪接收卫星信号；

在完整实施情况下，导航仪可携带有mems压力传感器来协同定位，该协同定位一般是在导航仪搜到的卫星数量为4时才开始启动。

s102、基于卫星信号判断卫星数量；

s103、是否大于4，若大于4则进入到s107，若等于4则进入到s104和s105；

需要说明的是，本发明实施例中可以实现四颗卫星与mems压力传感器间的协同定位功能，只需要满足四颗卫星数量就可以实现，若搜索过程中，存在4颗以上的卫星，也可以只需要取4个卫星数量的信号来基于mems压力传感器实现协同定位。这里为了实现原有情况下，一般在搜索到大于4颗卫星的情况下，还是参照原有的卫星定位来实现，即通过建立多个卫星相对应的伪距观测方程来实现最终卫星导航定位结果的输出。

需要说明的是，步骤s104和步骤s105可以是同时进行，也可以具有先后步骤，也可以是在四颗卫星条件下触发启动。

s104、基于4颗卫星数量建立伪距观测方程；

当导航仪搜索到4颗卫星数的时候，首先利用卫星广播的星历，计算出第i颗卫星的准确位置坐标(xi，yi，zi)(i≤4)；接着利用卫星的伪距观测量ρ建立观测方程如下式(2)。因为接收机存在钟差，因而把接收机钟差作为未知参数与接收机位置坐标(x，y，z)一起求解。

其中，i≤4，(xi、yi、zi)为由卫星星历求得的卫星瞬时地心坐标，(x、y、z)为待求接收机的地心坐标，c为光速，tr、分别为接收机时钟与卫星时钟的误差，vion为电离层延迟改正数，vtrop为对流层延迟改正数。

根据地心坐标和大地坐标的线性转换关系来建立，假定ρ已经经过对流层、电离层和卫星时钟改正，利用接收机近似坐标(x0，y0，z0)转换为大地坐标(b0，l0，h0)，四颗卫星的观测方程经线性化后，可以得到以下矩阵方程：

其中，a为伪距观测方程系数矩阵，k1为常数矩阵，通过观测方程的线性化可得；δb、δl、δh是接收机近似大地坐标(b0，l0，h0)的改正数，得到接收机位置坐标(b，l，h)＝(b0+δb，l0+δl，h0+δh)；tr为接收机钟差。

以上步骤，基于地心坐标坐标与大地坐标的转换关系，以导航仪的大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程。

s105、基于mems压力传感器获取高度信息；

gnss卫星定位的实质是根据接收机与其所观测到的卫星之间的距离和所观测卫星的空间位置来求取接收机的空间位置。因为mems压力传感器测出的高度为大约一米的分辨精度，而利用伪距测量的定位方法精度同样为米级或亚米级，如果利用载波相位测量定位方法，则可以达到厘米级的精度，本技术方案阐述mems压力传感器与伪距测量协同定位方法的原理。

利用mems压力传感器提取高度。mems压力传感器在导航仪中，可以根据大气压与海拔高度的关系公式，计算海拔高度，为卫星定位求解提供一个高精度的高度信息。大气压与海拔高度的一般关系公式可以表示为：

p＝p0*(1-altitude/44330)^5.255(4)

其中p0是标准大气压，等于1013.25mbar；altitude是以米为单位的海拔高度。p是在某一高度的以mbar为单位的气压，p可通过导航仪如智能手机中的数字气压计读取相关数据。

具体实施过程中，还涉及到对高度信息进行质量分析，判断该质量分析是否达标，若质量分析不达标，则继续获取高度信息或者停止基于高度信息建立高程信息约束方程；只有在判断质量分析达标以后，才基于该高度信息建立高程信息约束方程，进入s106。

s106、基于高度信息建立高程信息约束方程；

在基于s105获得高度h之后，形成高程信息约束方程(5)：

c*δh+k2＝0(对应的权阵为p2)(5)

需要说明的是，c为高程信息约束方程的系数矩阵，基于伪距观测方程(3)和高程信息约束方程(5)形成导航仪当前的大地坐标求解模型(6)，从而可以实现导航仪的大地坐标求解，即后续可以通过卡尔曼滤波即可得出导航定位pvt解，即直接进入s108实现。

s107、基于卫星数量建立伪距观测方程；

需要说明的是，该卫星数量达到5颗以上时，至少可以建立5个相关的伪距观测方程，因此其可以求解出相应的四个未知数，不需要借助于mems来实现协同定位功能。

s108、卡尔曼滤波求解；

s109、pvt解算,并通过地心坐标与大地坐标的转换关系，获得导航仪的地心坐标；

s110、导航定位质量分析，若质量分析不合格，则进入到s103，若质量合格则进入到s111；

s111、输出导航结果。

步骤s108至s111中卫星定位实现解算的原理过程，基于mems压力传感器实现过程中，首先基于大地坐标求解模型通过卡尔曼滤波得出导航定位在大地坐标系下的pvt解，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标；通过残差及中误差进行定位质量分析，在定位质量分析合格之后输出定位结果。而传统的方式基于多个伪距观测方程来直接求得地心坐标，通过卡尔曼滤波得出导航定位的pvt解；以及通过残差及中误差进行定位质量分析，在定位质量分析合格之后输出定位结果，这里不再赘述。

具体的，图2示出了本发明实施例中的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法第二流程图，包括如下步骤：

本发明实施例子是在导航仪只需要四颗卫星条件下实现，在获取到四颗卫星数据之后，开始整个过程；

s201、导航仪利用卫星广播的星历获取四颗卫星的卫星瞬时地心坐标；

s202、利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程；

具体实施过程中，结合地心坐标和大地坐标的转换关系，以导航仪的大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程，其整个伪距观测方程和观测方程线性化如式(2)和(3)，这里不再赘述。

s203、基于mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息；s204、数字罗盘获取基于大地坐标下的平面方位信息；

需要说明的是，在四颗卫星条件下，可以启动mems来协同定位，也可以启动数字罗盘来协同定位。在导航仪搜索到卫星数量为4颗时，可以先启动一个来协同定位，比如先启动mems压力传感器来获取高度信息，可以对高度信息进行质量分析，若质量分析不达标，则启动数字罗盘获取平面方位信息；也可以先启动数字罗盘来获取平面方位信息，对平面方位信息进行质量分析，若质量分析不达标，则启动mems压力传感器来获取高度信息。通过这种质量分析，选择其中质量优的数据建立约束方程。

图2中实现过程可以是，在四颗星定位情况下，启动了mems压力传感器和数字罗盘来各自获取数据，然后采用高度信息与方位信息进行质量对比，即实现s205判断过程。

s205、判断高程信息是否优于平面信息，若高程信息优于平面信息则进入s206，若平面信息优于高程信息则进入s207；

s206、基于高度信息建立高程信息约束方程；

该步骤s206是在高程信息优于平面信息情况下建立的，这里基于高度信息建立高程信息约束方程可以详细参阅s105和s106内容，这里不再赘述。

s207、基于平面方位信息建立平面信息约束方程；

该步骤s207是在平面信息优于高程信息情况下建立的，当平面方位信息优于高程信息时，运用数字罗盘提取平面方位信息，根据平面方位信息与大地经纬度b和l等之间的关系，可建立平面信息约束方程(7)如下：

其中：d为平面信息约束条件方程对应的系数矩阵，k3为常数矩阵。

s208、求解卫星接收机的地心坐标。

基于伪距观测方程(3)和平面信息约束方程(7)形成导航仪当前的大地坐标求解模型(8)，从而可以实现导航仪的大地坐标求解，即后续可以通过卡尔曼滤波即可得出导航定位pvt解，即直接进入s108实现。

由此可见，针对四颗星的过程，该方案可以采用mems压力传感器来实现协同，也可以采用数字罗盘来实现协同。

在高程信息数据更优的情况下，采用高程信息约束方程所建立的大地坐标求解模型先求解出导航仪的大地坐标；在平面信息数据更优的情况下，采用平面信息约束方程与所建立的大地坐标求解模型先求解出导航仪的大地坐标。

通过卡尔曼滤波即可得出导航定位pvt解，然后通过残差及中误差等进行质量分析，基于此过程中，基于大地坐标求解模型通过卡尔曼滤波得出导航定位在大地坐标系下的pvt解，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。当质量分析不合格时需要重新运用上述数学模型再次求解，直到质量分析合格之后输出定位结果。所以在只观测到4颗卫星的情况下，运用本方法同样能完成卫星定位求解，解决城市峡谷、树林等遮挡比较严重区域的导航困境。

相应的，图3示出了本发明实施例中的基于meme压力传感器协同卫星定位的系统结构示意图，该系统一般位于卫星导航仪器或者具有导航功能的设备上，该系统包括：

星历模块，用于获取四颗卫星的卫星瞬时地心坐标；

伪距观测模块，用于基于地心坐标和大地坐标间的转换关系，以导航仪大地坐标为求解目标，利用卫星的伪距观测量建立四颗卫星中每一颗卫星所对应的伪距观测方程；

mems压力传感器，用于获取基于大地坐标下的高度信息；

高程信息约束模块，用于基于高度信息建立高程信息约束方程；

定位求解模块，用于基于伪距观测方程和高程信息约束方程形成导航仪当前的大地坐标求解模型，获取导航仪的大地坐标，通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪的地心坐标。

相应的，该系统还包括：

卫星数量判断模块，用于判断导航仪搜索卫星的数量；

触发模块，用于在卫星数量判断模块判断导航仪搜索的卫星数量为四颗时，触发mems压力传感器获取基于大地坐标下的高度信息。

相应的，该系统还包括：

高度信息质量分析模块，用于对所述高度信息进行质量分析，判断所述质量分析是否达标，若所述质量分析不达标，则继续获取高度信息或者停止高程信息约束模块基于所述高度信息建立高程信息约束方程；在判断所述质量分析达标以后，高程信息约束模块基于所述高度信息建立高程信息约束方程。

相应的，图4示出了定位求解模块结构示意图，该定位求解模块包括：

卡尔曼滤波单元，用于基于所述大地坐标求解模型通过卡尔曼滤波求解；

pvt解单元，基于卡尔曼滤波求解得出导航定位大地坐标系下的pvt解，并通过地心坐标和大地坐标间的转换关系获得导航仪地心坐标系下的pvt解；

定位质量分析单元，用于通过残差及中误差进行定位质量分析；

定位输出单元，用于在定位质量分析合格之后输出定位结果。

以上各模块实现过程内容，其整个内容与图1至图2中的内容方法一致，这里不再赘述。

采用上面的方案后，本发明的有益效果包括：

mems作为新一代惯性导航进展方式，相比于传统的惯性导航器件来说成本低，能耗小，微型化，本方法利用mems压力传感器结合卫星信号实现定位，使定位更为准确，同时成本低，方便民用，现在大多数导航仪如智能手机都有mems器件，大大增加了本方法可行性，同时实现了在卫星信号差或者仅有4个卫星时的协同定位功能。

传统上卫星定位与高度都是分开求解的，国内很少把mems压力传感器与卫星定位耦合起来求解，国外同样是很少把二者结合起来进行卫星定位求解。本发明把mems压力传感器、数字罗盘与卫星导航模型结合起来形成一种紧凑的技术方案，可以解决城市峡谷、树林等遮挡比较严重区域的定位求解难题。

本方法确立mems、数字罗盘、gnss的集成定位模式，是技术上的一个独特思考，根据不同的定位条件，构建出基于mems压力传感器的集成gnss卫星定位体系，当卫星信号不正常只能接收到4颗卫星的情况下，提供协同工作模式进行卫星定位求解，当卫星信号正常时正常求解，灵活性强，能够适应不同类型的定位区域。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，readonlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、flash、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的基于mems压力传感器协同卫星定位的方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。