一种基于gnss与ins的自适应导航定位系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种导航定位系统及方法，尤其涉及一种基于GNSS与INS的自适应导 航定位系统及方法。
【背景技术】
[0002] GNSS(Global Navigation Satellite System全球卫星导航系统），如北斗 (BEIDOU)、GPS、Gl〇nass等，越来越多的被人们所熟知。在室外空旷区域，其定位精度通常优 于5米，该精度已经满足普通生活、生产所需。但在室内、地下、建筑密集区域，通常造成GNSS 信号微弱、丢失以及产生多径效应，这些因素都会造成GNSS定位不准确，甚至无法定位。
[0003] INS(Inertial Navigation System，惯性导航系统）主要由IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)组成，通常包括以下模块:3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴 地磁计。其通过对惯性测量数据进行处理后，可得出对象的加速度、角速度、本地地磁信息， 进而能够计算得出速度、姿态、航向等信息。在给定初始位置的基础上，可利用MU进行自主 导航定位，可以解决GNSS系统的覆盖问题。
[0004]传统IMU模块一般应用在舰船、飞机、特种装备上，其优点是测量精度高、漂移率 小，能适应长时间连续工作，缺点是体积大、功耗高且价格昂贵。因此，传统IMU给行人导航 定位带来了巨大的门槛。
[0005] 当INS应用到行人时，由于行人行动加速度很小、速度低，加之MEMS MU器件自身 测量精度与漂移的缺陷，传统INS导航处理算法会在短时间造成巨大的累积误差，无法长时 间提供准确的导航定位信息。为了克服MEMS IMU器件的劣势，通常在行人导航定位领域采 用]^I^Pedestrian Dead-Reckoning，行人航迹推算)来进行处理。
[0006] 行人航迹推算，是通过IMU检测判断行人跨步动作、估计步长、检测行动航向以实 现行人的导航定位。传统行人航迹推算，步长估计依靠经验公式，无法进行动态调整，而且 人体之间的差异性会导致每个人员在使用同一套定位算法时差异化严重，导致导航定位不 准确。
【发明内容】
[0007] 本发明针对PDR的步长估计模型不具有统一性，本发明提出了一种在GNSS导航定 位状态下步长估计自适应方法，能够改善不同人在使用H)R导航时产生的差异性，提升PDR 导航定位精度，对模糊区域的处理，能够改善INS导航定位起始信息，使室内外导航定位信 息平滑过渡。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种基于GNSS与INS的自适应导航 定位系统，包括GNSS接收机、頂U惯性测量单元、捷联惯导解算模块、PDR行人航迹推算模块、 导航定位融合模块和电源模块，
[0009] 所述GNSS接收机将定位信息和卫星信息发送至导航定位融合模块，
[0010] 所述頂u惯性测量单元将导航定位信息依次通过捷联惯导解算模块、PDR行人航迹 推算模块发送至导航定位融合模块，
[0011] 所述PDR行人航迹推算模块通过采集GNSS的导航定位信息进行TOR步长自适应校 准，
[0012] 所述导航定位融合模块进行GNSS与INS导航定位信息进行融合后输出。
[0013] 作为优选，所述惯性测量单元采用3轴MEMS陀螺仪芯片、3轴MEMS加速度计芯片、3 轴MEMS电子罗盘芯片、MEMS气压高度计芯片组成。
[0014] 作为优选，所述捷联惯导解算模块通过AHRS航姿参考系统计算得到载体航向、横 滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和。
[0015] 一种基于GNSS与INS的自适应导航定位方法，方法步骤如下：
[0016] 1)GNSS定位信息、卫星信息获取
[0017]获取GNSS接收机上报的定位信息、卫星信息，解析协议，缓存定位信息、卫星姿态、 卫星信号信噪比、卫星数据有效性，GPS定位信息按时间1秒整合为序列[Tk，L0k，La k];
[0018] 2) INS定位信息计算
[0019] 利用PDR步长估计自适应算法，计算行人惯性测量信息，并做30秒内的缓存，按时 间1秒整合为序列[Tk，p k，yk]，其中pk为行人单步步长信息，yk为航向信息；
[0020] 3) INS定位更新策略
[0021] 根据TOR步长估计自适应算法得到的行人惯性测量信息序列[1\心^]，结合11时 刻的GNSS定位信息，可得到TOR行人定位坐标序列[Tk，PL 0k，PLak];
[0022] 4)GNSS/INS 切换策略
[0023] 判定GNSS接收机定位是否有效，不能仅使用定位有效的提示，需要联合卫星信息 综合判断，当卫星数量、卫星信号信噪比低于阈值时，将定位方式切换为INS。
[0024] 作为优选，步骤3)中进行INS定位更新策略时，当缓存装满后，需要剔掉T1时刻的 数据，并接收新缓存数据，此时，PDR定位坐标序列的起始点需要以T2时刻的GNSS定位信息 为起始点刷新，即，PDR行人惯性测量信息序列为一30秒的时间滑动窗口，缓存最近30秒的 惯性测量数据。使用惯性测量信息滑动窗口第一个数据时刻对应的GNSS定位信息作为惯性 导航系统的初始坐标，并计算滑动窗口中所有惯性测量信息所表征的行人定位坐标，以形 成行人坐标序列[Tk，PL0k，PLak]。
[0025] 作为优选，进行TOR步长估计自适应算法的方法步骤如下：
[0026] 1)捷联惯导解算
[0027] 通过AHRS航姿参考系统计算，得到载体航向、横滚、侧翻角度信息，再由坐标系旋 转计算得到本地重力加速度方向的加速度矢量和；
[0028] 2)PDR跨步检测
[0029] 对计算得到的重力加速度方向的加速度矢量和，以3Hz为截至频率设计数字低通 滤波器，并进行数字低通滤波后，得到行人在重力加速度方向上的加速度变化；
[0030] 对行人在重力加速度方向上变化的加速度进行峰值检测，并计算邻近极小值与极 大值之差的绝对值，该绝对值若超过阈值则可判定为跨步动作，记录跨步动作发生的时间、 极小值、极大值，形成序列 ,
[0031 ] 3)GNSS定位下实际步长统计
[0032] GNSS接收机的通常信息输出频率为1Hz，对于每个GNSS定位信息记录时间、经度、 韩度，形成序列[Tm，L0m，Lam]，Lo为经度，La为韩度；
[0033] 4)PDR步长估计自适应
[0034]将序列[Tm，L0m，Lam]做相应计算与调整，根据经炜度与地理距离的换算可以得到 新序列[Tsm，Tem，Sm]，其中Ts为起始时刻、Te为结束时刻、S为行人在Ts时刻与Te时刻间的直 线距离，根据序列可以得到序列[Tsm，Tem，Sm]每个元素所包含的PDR跨步检 测信息，
[0035] 对Tsm，Tem，Sm，在序列]中，计算跨步时刻在[Tsm，Te m]范围内的所有跨
步步长比例值序列[Pk]，其中 按照比例关系对移动距离3"进行分配：
?： ，进而得到得到序列[sk];
[0036] 根据TOR步长估计公式：
[0037] 处理步骤可得到了 [pk] = [Sk]、与[Pk]，再利用最小二乘法，可拟合出常数K的最优 的解。
[0038]作为优选，步骤4)中，设序列中共N个点，则K的估计值为：
[0040] 利用上述步骤，可得到TOR步长估计中常数K的自适应值，进而对行人TOR导航定位 步长估计进行自校准。
[0041 ]与现有技术相比，本发明的优点在于:GNSS与INS导航定位融合方法可实现导航定 位的平滑切换，且易于实现，容易移植到低成本处理器上。实现了 PDR步长估计K值自适应、 自校准，增加在