专利名称：Gps/ins组合定位导航系统及其速率检测校正方法
技术领域：
本发明涉及一种GPS/INS组合定位导航系统及其速率检测校正方法。
背景技术：
车载导航市场上主流技术是GPS(Global Position System卫星定位导航系统)系统。GPS系统通过接收分布在天空的24颗卫星发送的无线信号计算定位信息，具有全球、全天候、高精度、实时定位等优点，但是由于无线信号的直线传播特性，其动态性能和抗干扰能力较差，当GPS接收机在隧道、树荫或高楼附近时，卫星信号被遮挡，影响准确定位甚至无法定位。
INS(Inertial Nayigation System质性定位导航系统)系统具有自主导航能力，可以独立给出载体姿态、速度和位置等定位导航信息，抗外界干扰能力强。随着INS系统中惯性陀螺仪技术的发展，将INS系统应用于GPS系统中，即产生了GPS/INS组合定位导航系统，该系统可在GPS定位导航受影响时，通过INS系统进行定位导航。但INS系统的定位导航误差随时间延续而不断增大，即误差积累、漂移大。
INS系统包括陀螺仪和速率传感器。陀螺仪测量移动载体(以汽车为例)行进过程中的角速度，即单位时间内所转过的角度值；速率传感器测量汽车的速率，以实现INS系统的定位导航。故INS系统在定位导航时的误差包括速率误差和角度误差。INS系统测量汽车速率的方法是速率传感器根据车轮周转的圈数而产生相应的速率脉冲信号，后根据所述脉冲信号的频率计算车辆速率。故速率脉冲信号的误差导致了速率误差；此外，不同车辆的轮胎尺寸不同，进一步增大了速率误差。
因此，如何利用GPS信号来校正INS系统在定位导航时的速率误差，是GPS/INS组合定位导航系统提高定位导航精度所要解决的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于校正INS系统的定位导航的速率误差以提高定位导航精度的GPS/INS组合定位导航系统及其速率检测校正方法。
为解决上述技术问题，本发明的GPS/INS组合定位导航系统，CPU单元、INS模块、用于接收经纬度信号的GPS接收器和与CPU单元双向电连接的触摸屏操控单元；INS模块的根据移动速率而产生相应的速率脉冲信号和移动转角信号分别送入GPS接收器的速率脉冲信号输入端和角度信号输入端，并由GPS接收器根据所述经纬度信号对单个速率脉冲所对应的移动距离值和移动转角信号进行误差校正；CPS接收器的定位导航信号输出端将所述经纬度信号、速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号送至CPU单元的定位导航信号输入端；在GPS接收器能正常接收经纬度信号时，CPU单元仅根据GPS接收器接收得的经纬度信号通过触摸屏操控单元进行定位导航；而仅在GPS接收器接收经纬度信号受干扰时，CPU单元根据所述速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号通过触摸屏操控单元进行定位导航。
上述技术方案中，INS模块包括用于生成速率脉冲信号的速率检测单元和用于生成移动转角信号的陀螺仪单元；INS模块的速率脉冲信号输出端和角度信号输出端分别接GPS接收器的速率脉冲信号输入端和角度信号输入端。
上述技术方案中，GPS接收器包括GPS模块和与GPS模块的射频信号输入端相连的射频放大器；射频放大器的信号输入端与GPS天线相连；GPS接收器的角度信号输入端和速率脉冲信号输入端分别为GPS模块的角度信号输入端和速率脉冲信号输入端；GPS接收器的定位导航信号输出端即为GPS模块的定位导航信号输出端。
上述GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，包括如下步骤A、GPS接收器(3)中的GPS天线接收GPS信号，经射频放大器送入GPS模块，GPS模块得到当前位置的经纬度信号；B、INS模块中的速率检测单元根据移动速率生成速率脉冲信号并送入GPS模块的速率脉冲信号输入端；C、GPS模块根据移动路线上各点的经纬度信号判断当前的移动路线是否为准直线，所述准直线为转角小于15°的曲线；D、当GPS模块测得所述移动路线为准直线时，GPS模块根据所述经纬度信号对来自INS模块的速率脉冲信号中的单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正，并将误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值送至CPU单元的定位导航信号输入端。
上述技术方案中，上述步骤D中，对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正的步骤包括GPS模块把当前的经纬度信号标记为移动的起始点，从该起始点开始移动，直至测得一点a至所述起始点之间的直线距离为预设值时，GPS模块把所述点a标记为终点；在上述期间，GPS模块记录下INS模块在所述起始点至所述终点之间所产生的速率脉冲总数；GPS模块根据所述起始点和终点之间的移动路线上各点的经纬度信号计算出所述起始点和终点之间的移动路线的长度，然后与所述速率脉冲总数相除即得出单个速率脉冲所对应的距离值，即完成对单个速率脉冲所对应的距离值的误差校正。
上述技术方案中，所述预设值至少为1km。
上述技术方案中，所述移动路线上各点的间距可设为0.1m-1m。
上述技术方案中，重复上述对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正的步骤至少5次，并采用差值算法对单个速率脉冲所对应的距离值进行二次误差校正，并得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值。
上述技术方案中，对单个速率脉冲所对应的距离值进行二次误差校正时，得5段移动路线的长度分别为s1、s2、s3、s4和s5，则s01＝(s2-s1)/(n2-n1)，s02＝(s3-s1)/(n3-n1)，s03＝(s4-s1)/(n4-n1)，s04＝(s5-s1)/(n5-n1)，s05＝(s3-s2)/(n3-n2)，s06＝(s4-s2)/(n4-n2)，s07＝(s5-s2)/(n5-n2)，s08＝(s4-s3)/(n4-n3)，s09＝(s5-s3)/(n5-n3)，s010＝(s5-s4)/(n5-n4)；求上述s01至s010之均值，即得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值s0。
上述技术方案中，GPS模块定期对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正并存储所述经误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值。
本发明具有积极的效果(1)本发明的GPS/INS组合定位导航系统利用GPS接收器接收的经纬度信号校正单个速率脉冲所对应的距离值和移动转角度值，以在卫星信号被遮挡、GPS接收器接收经纬度信号受干扰时，可仅靠INS系统进行较精确地导航，故相对于现有技术，该系统减小了速率误差和移动转角度误差，解决了INS系统的定位导航误差随时间延续不断增大，即误差积累、漂移大的技术问题，也解决了因各种车辆使用轮胎尺寸的不同、路面状况因素等所导致的INS系统速率检测误差，提高了GPS/INS组合定位导航系统的定位导航精度。(2)本发明的速率检测校正方法中，当GPS模块测得所述移动路线为准直线时，GPS模块才根据经纬度信号对来自INS模块的速率脉冲信号中的单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正；所述准直线为转角小于15°的曲线。若移动路线的转角大于15 °，则INS模块相应生成的速率脉冲数存在较大误差，不便用于所述误差校正。(3)本发明的速率检测校正方法中，对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正时，将起始点至终点的直线距离设为预设值，便于计算单个速率脉冲所对应的距离值。所述预设值至少为1km，该值越大，得出的单个速率脉冲所对应的距离值就越准确。移动路线上各点的间距可设为0.1m-1m，该值越小，得出的单个速率脉冲所对应的距离值就越准确。(4)本发明中，GPS模块定期(如1星期1次)对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正。因为在实际使用时，INS模块中的速率检测单元和陀螺仪单元常存在着机械误差，使用越久误差就越大，定期对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正，可及时减小误差。
图1为本发明的GPS/INS组合定位导航系统的电路原理图；图2为本发明的GPS/INS组合定位导航系统的角度检测校正方法的程序框图。
为3发明的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法的程序框图。
具体实施例方式
(实施例1)见图1，本实施例的GPS/INS组合定位导航系统适用于汽车、轮船等可沿直线移动的载体，其包括CPU单元1、INS模块2、用于接收经纬度信号的GPS接收器3和触摸屏操控单元4。
GPS接收器3包括GPS模块31和与GPS模块31的射频信号输入端相连的射频放大器32；射频放大器32的信号输入端与GPS天线相连。
INS模块2包括用于生成速率脉冲信号的速率检测单元21和用于生成移动转角信号的陀螺仪单元22；陀螺仪单元22的角度信号输出端接GPS模块31的角度信号输入端；速率检测单元21的速率脉冲信号输出端接GPS模块31的速率脉冲信号输入端；GPS模块31的定位导航信号输出端与CPU单元1的导航定位导航信号输入端双向电连接。CPU单元1的显示控制通信端与触摸屏操控单元4的显示控制通信端双向电连接。
本实施例的GPS/INS组合定位导航系统的定位导航的工作原理如下系统开启后，GPS模块31的定位导航信号输出端与CPU单元1的导航定位导航信号输入端进行协议握手；然后，GPS接收器3开始工作，并将测得的载体所在的经纬度信息送入CPU单元1，CPU单元1根据GPS接收器3接收得的经纬度信号通过触摸屏操控单元4进行定位导航。
载体开始移动后，INS模块2中的陀螺仪单元22时刻检测载体在移动路线上的转动角度，并将测得的转动角度信号送至GPS模块31的转动角度信号输入端；同时，所述速率检测单元21根据移动速率而产生相应的速率脉冲信号并将所述速率脉冲信号送入GPS接收器3中的GPS模块31的速率脉冲信号输入端。
若GPS接收器3内未存储有经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和用于对移动转角信号进行误差校正的补偿值α，则由GPS接收器3根据所述经纬度信号对单个速率脉冲所对应的移动距离值和移动转角信号进行误差校正，得出经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和用于对移动转角信号进行误差校正的补偿值α，并作存储；然后，将来自INS模块2中陀螺仪单元22生成的转动角度信号结合所述补偿值α，得出经误差校正的移动转角信号。
若GPS接收器3内已存储有经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和用于对移动转角信号进行误差校正的补偿值α，则GPS模块31首先将所述转动角度信号结合所述补偿值α进行误差校正，并得出经误差校正的移动转角信号。(例如，若GPS接收器3接收的移动转角信号对应的角度值为θ3，则经误差校正的移动转角信号对应的角度值为θ3+α。在其他实施例中，也可根据θ3值的大小，增加相应比例的α。)然后，GPS接收器3的定位导航信号输出端将所述经纬度信号、速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号送至CPU单元1的定位导航信号输入端。
仅当在GPS接收器3接收经纬度信号受干扰时，CPU单元1根据所述速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号通过触摸屏操控单元4进行定位导航。
直至GPS接收器3能正常接收经纬度信号时，CPU单元1仅根据GPS接收器3接收得的经纬度信号通过触摸屏操控单元4进行定位导航。
见图3，上述GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法的步骤为A、GPS天线接收GPS信号，经射频放大器32送入GPS模块31，GPS模块31得到当前位置的经纬度信号；B、INS模块2中的速率检测单元21根据移动速率生成速率脉冲信号并送入GPS模块31的速率脉冲信号输入端；C、GPS模块31根据移动路线上各点的经纬度信号判断该移动路线是否为准直线，所述准直线为转角小于15°的曲线；所述各点的间距可设为0.5m(其他实施例中，可设为0.1m、0.2m或1m，所述各点的间距越小，根据各点所得出的移动路线就越精确)。
D、当GPS模块31测得所述移动路线为准直线时，GPS模块31根据所述经纬度信号对来自INS模块2的速率脉冲信号中的单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正，并将误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值送至CPU单元1的定位导航信号输入端。在该步骤中，对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正的步骤包括GPS模块31把当前的经纬度信号标记为移动的起始点，从该起始点开始移动，直至测得一点a至所述起始点之间的直线距离为预设值1km(其它实施例中，可以是1.5km、2km，甚至更多，直线距离的预设值越高，得出单个速率脉冲所对应的距离值就越准确。)时，GPS模块31把所述点a标记为终点；在上述期间，GPS模块31记录下INS模块2在所述起始点至所述终点之间所产生的速率脉冲总数；GPS模块31根据所述起始点和终点之间的移动路线上各点的经纬度信号计算出所述起始点和终点之间的移动路线的长度，然后与所述速率脉冲总数相除即得出单个速率脉冲所对应的距离值，即完成对单个速率脉冲所对应的距离值的误差校正。
重复上述步骤A-D共5次(在其他实施例中，可以为7、10或15次，甚至更多，次数越多，得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值就越准确)，并采用差值算法对单个速率脉冲所对应的距离值进行二次误差校正，并得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值。
所述差值滤波算法为速率脉冲数n与单个速率脉冲所对应的距离值s0相乘得出所述准直线的长度即实际行驶距离s＝n*s0，而s0对于一个给定系统为固定值。重复上述步骤A-D共5次，得5段实际行驶距离分别为s1、s2、s3、s4和s5，则s01＝(s2-s1)/(n2-n1)，s02＝(s3-s1)/(n3-n1)，s03＝(s4-s1)/(n4-n1)，s04＝(s5-s1)/(n5-n1)，s05＝(s3-s2)/(n3-n2)，s06＝(s4-s2)/(n4-n2)，s07＝(s5-s2)/(n5-n2)，s08＝(s4-s3)/(n4-n3)，s09＝(s5-s3)/(n5-n3)，s010＝(s5-s4)/(n5-n4)；求上述s01至s010之均值，即得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值s0。
见图2，本实施例的GPS/INS组合定位导航系统对陀螺仪单元22生成的转动角度信号进行检测和误差校正的方法，包括如下步骤a、GPS接收器3中的GPS天线接收GPS信号，经射频放大器32送入GPS模块31的射频信号输入端，GPS模块31得出载体移动路线上各点的经纬度信号；INS模块2中的陀螺仪单元22在移动路线上生成转动角度信号，并将该信号送至GPS模块31的转动角度信号输入端；b、GPS模块31根据所述经纬度信号判断载体移动路线是否处于非准直线状态；其中，当GPS模块(31)根据所述经纬度信号得出载体移动路线的转动角度小于15°时，则判断载体移动路线处于准直线状态；反之，当GPS模块(31)根据所述经纬度信号得出载体移动路线的转动角度不小于15°时，则判断载体移动路线处于非准直线状态。
c、当GPS模块31测得所述载体的移动路线在T1时刻进入非准直线状态，并在T2时刻进入准直线状态时，GPS模块31根据来自INS模块2中陀螺仪单元22的分别在T1时刻和T2时刻生成的所述转动角度信号得出载体在T1至T2时刻内的转动角度θ1；GPS模块31根据在T1至T2时刻内所述载体移动路线上各点的经纬度信号计算出该载体的转动角度θ2；d、GPS模块31得出在所述T1至T2时刻内GPS/INS组合定位导航系统的转动角度的检测误差Δθ＝θ2-θ1；e、重复上述步骤a至d至少5次，并得到相应个数的Δθ，对各Δθ进行差值计算，并得到补偿值α；其中，对各Δθ进行差值计算时，先求各Δθ之和，后除以其总数，即得出所述补偿值α。
f、GPS接收器3接收经纬度信号受干扰时，GPS模块31根据来自INS模块2中陀螺仪单元22生成的转动角度信号结合所述补偿值α，得出经误差校正的移动转角信号并送至CPU单元1的导航定位信号输入端。
GPS模块31定期对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正并存储替换现有的移动距离值。同时，还定期(如1星期1次)对移动转角信号进行误差校正，得出补偿值α，并存储替换现有的补偿值。
权利要求
1.一种GPS/INS组合定位导航系统，包括CPU单元(1)、INS模块(2)、用于接收经纬度信号的GPS接收器(3)和与CPU单元(1)双向电连接的触摸屏操控单元(4)；其特征在于INS模块(2)的根据移动速率而产生相应的速率脉冲信号和移动转角信号分别送入GPS接收器(3)的速率脉冲信号输入端和角度信号输入端，并由GPS接收器(3)根据所述经纬度信号对单个速率脉冲所对应的移动距离值和移动转角信号进行误差校正；GPS接收器(3)的定位导航信号输出端将所述经纬度信号、速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号送至CPU单元(1)的定位导航信号输入端；在GPS接收器(3)能正常接收经纬度信号时，CPU单元(1)仅根据GPS接收器(3)接收得的经纬度信号通过触摸屏操控单元(4)进行定位导航；而仅在GPS接收器(3)接收经纬度信号受干扰时，CPU单元(1)根据所述速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号通过触摸屏操控单元(4)进行定位导航。
2.根据权利要求1所述的GPS/INS组合定位导航系统，其特征在于INS模块(2)包括用于生成速率脉冲信号的速率检测单元(21)和用于生成移动转角信号的陀螺仪单元(22)；INS模块(2)的速率脉冲信号输出端和角度信号输出端分别接GPS接收器(3)的速率脉冲信号输入端和角度信号输入端。
3.根据权利要求1所述的GPS/INS组合定位导航系统，其特征在于GPS接收器(3)包括GPS模块(31)和与GPS模块(31)的射频信号输入端相连的射频放大器(32)；射频放大器(32)的信号输入端与GPS天线相连；GPS接收器(3)的角度信号输入端和速率脉冲信号输入端分别为GPS模块(31)的角度信号输入端和速率脉冲信号输入端；GPS接收器(3)的定位导航信号输出端即为GPS模块(31)的定位导航信号输出端。
4.上述GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，包括如下步骤A、GPS接收器(3)中的GPS天线接收GPS信号，经射频放大器(32)送入GPS模块(31)，GPS模块(31)得到当前位置的经纬度信号；B、INS模块(2)中的速率检测单元(21)根据移动速率生成速率脉冲信号并送入GPS模块(31)的速率脉冲信号输入端；C、GPS模块(31)根据移动路线上各点的经纬度信号判断当前的移动路线是否为准直线，所述准直线为转角小于15°的曲线；D、当GPS模块(31)测得所述移动路线为准直线时，GPS模块(31)根据经纬度信号对来自INS模块(2)的速率脉冲信号中的单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正，并将误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值送至CPU单元(1)的定位导航信号输入端。
5.根据权利要求4所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于上述步骤D中，对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正的步骤包括GPS模块(31)把当前的经纬度信号标记为移动的起始点，从该起始点开始移动，直至测得一点a至所述起始点之间的直线距离为预设值时，GPS模块(31)把所述点a标记为终点；在上述期间，GPS模块(31)记录下INS模块(2)在所述起始点至终点之间所产生的速率脉冲总数；GPS模块(31)根据所述起始点和终点之间的移动路线上各点的经纬度信号计算出所述起始点和终点之间的移动路线的长度，然后与所述速率脉冲总数相除即得出单个速率脉冲所对应的距离值，即完成对单个速率脉冲所对应的距离值的误差校正。
6.根据权利要求5所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于所述预设值至少为1km。
7.根据权利要求4至6之一所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于所述移动路线上各点的间距可设为0.1m-1m。
8.根据权利要求7所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于重复上述对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正的步骤至少5次，并采用差值算法对单个速率脉冲所对应的距离值进行二次误差校正，并得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值。
9.根据权利要求8所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于对单个速率脉冲所对应的距离值进行二次误差校正时，得5段移动路线的长度分别为s1、s2、s3、s4和s5，则s01＝(s2-s1)/(n2-n1)，s02＝(s3-s1)/(n3-n1)，s03＝(s4-s1)/(n4-n1)，s04＝(s5-s1)/(n5-n1)，s05＝(s3-s2)/(n3-n2)，s06＝(s4-s2)/(n4-n2)，s07＝(s5-s2)/(n5-n2)，s08＝(s4-s3)/(n4-n3)，s09＝(s5-s3)/(n5-n3)，s010＝(s5-s4)/(n5-n4)；求上述s01至s010之均值，即得到二次误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值s0。
10.根据权利要求5所述的GPS/INS组合定位导航系统的速率检测校正方法，其特征在于GPS模块(31)定期对单个速率脉冲所对应的移动距离值进行误差校正并存储所述经误差校正后的单个速率脉冲所对应的移动距离值。
全文摘要
本发明涉及一种GPS/INS组合定位导航系统及其速率检测校正方法，该系统包括CPU单元、INS模块、GPS接收器和触摸屏操控单元；INS模块生成的速率脉冲信号和移动转角信号分别送入GPS接收器的速率脉冲信号输入端和角度信号输入端；GPS接收器的定位导航信号输出端将所述经纬度信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值、速率脉冲信号和经误差校正的移动转角信号送至接CPU单元的定位导航信号输入端；在GPS接收器接收经纬度信号受干扰时，CPU单元根据所述速率脉冲信号、经误差校正的单个速率脉冲所对应的移动距离值和经误差校正的移动转角信号通过触摸屏操控单元进行定位导航，以提高该系统的定位导航精度。
文档编号G01C21/10GK101017097SQ20071001977
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月9日 优先权日2007年2月9日
发明者秦春达, 姜加伟 申请人:江苏新科数字技术有限公司