一种基于bd/ins紧耦合的行人定位算法
【技术领域】
[0001] 本发明是对行人导航技术系统方案的技术研究，属于组合导航定位技术领域，特 别针对低成本惯性导航系统（以下简称为INS，InertialNavigationSystem)中陀螺仪易 发生漂移不能长时间定位和北斗（以下简称为BD，BeiDou)卫星导航系统中信号易被遮挡 而定位不准确的情况；具体涉及一种基于BD/INS紧親合的行人定位算法。
【背景技术】
[0002] 随着以智能手机、笔记本电脑、平板电脑等为代表的智能移动设备的出现和发展， 移动互联网得到了越来越广泛的应用，基于移动平台打造的工具软件和移动服务如雨后春 笋般涌现，为各类行业用户和大众用户提供了丰富的服务。在移动互联网中，基于位置的服 务是使用频率最高、应用最为广泛的服务之一，许多其它移动应用都直接或间接的使用到 了LBS(LocationBasedService)。借助于各种导航定位系统，在室外室内等开放性场所， LBS已经能够为用户提供高精度、高稳定性的位置服务，其应用已渗入到各个行业领域和大 众市场。然而在人类活动更多的室内场所，由于建筑物遮挡和定位系统本身的缺陷等问题， 进而无法准确地测量到用户所在的准确位置。因此，研究稳定的定位技术，以满足行业用户 和大众化应用需求的定位系统移动计算领域的研究热点之一。
[0003]INS导航系统是一种不依赖外部信息的系统，具有便于行人携带和抗干扰等优点， 缺点是陀螺仪误差会随时间累积，因此无法长时间单独工作。BD卫星导航系统可以为行人 提供全天候、连续的三维位置、三维速度和时间等信息，缺点是动态性较差、易受电磁干扰、 在城市中卫星信号易被遮挡等。此外，还有GLONASS、WIFI和蜂窝网等多种行人导航定位 方式，但都存在各自的优缺点，只能作为组合导航的一部分。在各种行人组合导航系统中， BD/INS组合导航系统的互补性最强，性能最优，可以用于公安消防、抢险救灾、智能交通等， 具有广泛应用前景。
[0004] 目前BD/INS的组合方式有三种，分别为松耦合、紧耦合和超紧耦合。在松耦合系 统中，BD卫星导航系统和INS导航系统各自独立运行，在BD卫星导航系统和INS导航系统 均能正常工作的情况下，将各自输出的位置速度信息通过组合滤波器进行数据融合，提高 定位精度；在紧耦合系统中，主要利用BD卫星导航系统提供的伪距，伪距率等原始信息，结 合INS导航系统的传感器输出的原始信息通过导航滤波器对原始参数信息进行处理，给出 最优的定位结果，下文将详细进行讲述；在超紧耦合系统中，BD/INS组合发生在跟踪回路 中，直接利用INS量测信息辅助BD码跟踪环和载波跟踪环，并且在BD/INS组合系统中通过 一个组合卡尔曼滤波器反馈回路代替传统的跟踪环回路，从而提高北斗接收机输出数据的 精度。
[0005] 在这三种组合方式中，松耦合系统最为简单，便于工程实现，但是BD和INS两个导 航子系统独立工作，会造成导航信息有一定的冗余度，稳定性差；同时松组合系统对BD系 统依赖性高，至少要存在4颗卫星才能得到BD系统的导航信息来对滤波器进行更新；并且 BD系统给出的位置和速度误差通常都是时间相关的。松耦合在国内外研究技术都很成熟， 早在20世纪80年代起美、英等军方和民用公司就对GPS/INS组合系统感兴趣，在1986年 就已经用于波音等公司的联合试飞中；国内清华大学的王艳东等在1999年就已经基于半 实物仿真研究了GPS/INS松组合（参考文献：王艳东，黄继勋，范跃祖.GPS/INS组合导航 系统半实物仿真研究.北京航空航天大学学报，1999, 03:299-301.)等。
[0006] 与松耦合相比，紧耦合能获得更高的定位精度，并且可以在可见星的个数少于4 颗时定位，提高了接收机的动态性和抗干扰能力。国内西北工业大学的栗瑞江等设计了自 适应滤波紧耦合方案；北京自动化控制设备研究所的孙道省等采用了GPS/INS紧耦合导航 系统的联合滤波方法等，都不同程度地提高了GPS/INS组合系统的精度，增强了系统的稳 定性，克服了松耦合的缺点。
[0007] 2000年美国Draper实验室的DonaldGustafson等人明确了超紧親合方式，美国 斯坦福大学的GautierJD进一步地完善了其概念；国内国防科技大学的狄曼珉等对GPS 与惯性超紧耦合技术的抗干扰性进行了研究；国防科技大学的黄新生等则利用Μ頂U捕获 的时域非相干搜索算法来提高对GPS信号的捕获能力等，但都停留在仿真阶段，没有得到 具体物理工程试验验证。超紧耦合不仅在高动态和强干扰条件下性能优异，而且对多径效 应有较好的抑制能力和校正作用。但这种组合方式需要深入到接收机内部，甚至涉及到内 部码环载波环电路的重新编排，过于复杂，同时会受到来自BD卫星芯片厂商的限制，开放 数据接口较少，不利于BD定位技术的推广。
[0008]目前的BD/INS组合导航系统一般是基于车载系统，对行人应用领域研究较少。相 比车载系统，在行人应用方面有如下几个难点：行人姿态较难判断；长时间误差积累导致 定位困难；行人活动环境复杂，BD信号易被遮挡等。
【发明内容】
[0009] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于BD/INS紧耦合的行人定位算法。
[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于BD/INS紧耦合的行人定 位算法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1)利用BD卫星导航子系统获得伪距、伪距率和卫星星历信息；利用INS子系 统中的MEMS惯性测量单元获得加速度计、磁强计和陀螺仪数据；
[0012] 步骤2)对BD卫星导航子系统和INS子系统进行同步，包括空间同步和时间同步；
[0013] 步骤3)INS惯导解算模块融合加速度计、磁强计和陀螺仪数据，计算行人姿态；利 用加速度计数据、行人姿态和TOR算法，获得行人位置；
[0014] 步骤4)通过步骤2)后，根据INS惯导解算模块输出的行人位置、速度和BD卫星 星历，预测出BD信号的伪距、伪距率；将预测出BD信号的伪距、伪距率与BD卫星导航系统 获得的实际测量值相减形成残差，该残差经过滤波器后，得到行人位置、速度校正量；
[0015] 步骤5)最后将通过步骤4)得到的行人位置、速度校正量与之前INS模块输出的 行人位置、速度相加，即可得到校正后的行人位置信息。
[0016] 进一步，所述空间同步包括将中国大地坐标系下的BD信息和载体坐标系下的INS 行人信息转换到北东天导航坐标系进行数据融合。
[0017] 进一步，所述将中国大地坐标系下的BD信息转换到北东天导航坐标系的方法包 括以下子步骤：
[0018] 步骤31)中国大地坐标系下的BD信息转换到空间直角坐标系；
[0019] 步骤32)空间直角坐标系下的BD信息转换到北东天惯性坐标系。
[0020] 进一步，所述时间同步的方法为：
[0021] 步骤41)检测北斗接收机每次星历数据来临界时产生的高电平秒脉冲信号；
[0022] 步骤42)打开北斗接收机对应的串口数据通道并将星历数据写入到指定的数据 文件中；
[0023] 步骤43)当星历数据读入完毕时，将串口切换到MEMS惯性测量单元对应的串口数 据通道，然后写入MEMS九轴传感器数据直到下一个秒脉冲到来；
[0024] 步骤44)当下一个秒脉冲到来时，数据读入通道则切换到北斗接收机对应的串口 数据通道；如此来回切换一直到停止接收数据，最终完成BD数据和MEMS传感器数据在时间 上的同步。
[0025] 进一步，所述INS惯导解算模块输出的行人在tk时刻的位置Pk(Nk，Ek)为：
[0026]
[0027]
[0028] 其中，Nk，别表示Ek时刻在正北、正东的位置，N。、E。分别表示在t。时刻在正 北、正东的位置；dk是时间间隔tkjljtk的位移向量的大小，Θk是位移向量的方向。
[0029] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
[0030] 本发明在行人航迹推算FOR(PedestrianDeadReckoning)算法的基础上，利用三 轴加速度计、三轴磁强计辅助陀螺仪，应用扩展卡尔曼滤波器实现各传感器数据融合，不仅 可以获得载体姿态，而且克服了长时间INS误差累积的问题；在BD信号缺失的情况下，建立 了BD/INS紧耦合的组合导航滤波器，减少了BD定位误差；同时，BD/INS组合导航系统通过 组合导航滤波器，使其精度均高于单独导航系统的精度。
【附图说明】
[0031] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中：
[0032] 图1为本发明中北斗/INS紧耦合系统框图；
[0033] 图2为PDR原理图；
[0034] 图3为INS解算原理图。
【具体实施方式】
[0035] 以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0036] INS导航系统是一种不依赖外部信息的系统，具有便于行人携带和抗干扰等优点， 缺点是陀螺仪误差会随时间累积。本发明所要解决INS导航系统无法长时间单独工作的问 题。BD卫星导航系统可以为行人提供全天候、连续的三维位置、三维速度和时间等信息，缺 点是动态性较差、易受电磁干扰、在城市中卫星信号易被遮挡等。
[0037] 本发明适用于INS单独长时间工作误差累积而造成发散的情况；北斗卫星导航系 统因为树木，楼房等遮挡而出现较大误差的情况；单独定位系统的定位发生不稳定及误差 较大的情况。
[0038] -种基于BD/INS紧耦合的行人定位算法，包括以下步骤：
[0039] 步骤1)利用BD卫星导航子系统获得伪距、伪距率和卫星星历信息；利用INS子系 统中的MEMS惯性测量单元获得加速度计、磁强计和陀螺仪数据；
[0040] 步骤2)对BD卫星导航子系统和INS子系统进行同步，包括空间同步