一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法，本发明专利技术的系统包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器(包括三轴加速度和三轴角速度)和数据处理与算法运行平台；全向接收天线安装在小车顶部，用于接收伪卫星信号；GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器分别将各自观测量数据传输至数据处理与算法运行平台；平台一方面将里程计数据与惯性数据融合获得航位推算位置估计，另一方面利用伪卫星室内区域信号图谱模型匹配获得绝对位置，然后利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位估算值进行校正，获得最终的位置估计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法
本专利技术涉及基于室内导航信号增强的无人车多源融合导航定位和信号通信领域，特别是一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统及方法。
技术介绍
无人车的导航系统常常包括惯性传感器和里程计，然而，由于器件固有的缺陷，两者融合后形成的航位推算系统的估计结果存在累积误差，该累积误差随时间不断累积，没有边界。针对该问题，在无人车上配置卫星导航接收机，通过卫星导航定位对无人车航位推算系统进行校正。以提高整个导航系统的定位精度。然后，由于室内建筑物的遮挡，卫星导航信号无法到达室内，导航接收机无法实现定位。虽然，虽然可以采用激光雷达或视觉等传感器来与航位推算系统融合定位，但是，一方面会增加无人车导航系统的成本和系统的复杂度；另一方面激光雷达或视觉虽然定位精度较高，但仍属于自主定位，同样存在累积误差。伪卫星是一种位于地面的可发射类空间导航信号的发射机，能够克服在高山、峡谷和高楼林立的城市等室外地区，空间导航信号受到严重遮挡从而使接收机无法实现导航和定位问题，并且不需要对现有导航接收机硬件进行任何修改，可用于基于卫星导航信号的室内外连续定位，且不需要增加额外的硬件成本。由于室内多径效应严重和空间有限，伪距和载波相位观测量误差很大以及几何精度因子较大，使得基于传统的三边定位方法失效。基于上述原因，需要一种基于导频信号的转发式伪卫星时间同步系统及方法，利用室内安装的阵列伪卫星导航信号在不同地面位置处原始观测量特性存在差异的特点，创建室内区域伪卫星信号图谱匹配模型，用于获取绝对位置，然后与惯性传感器和里程计融合的航位推算系统进行融合，对航位推算结果进行校正，提供整个无人车导航系统的定位精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于阵列伪卫星室内区域信号图谱校正的无人车导航系统及方法，实现基于阵列伪卫星/惯性传感器/里程计融合的无人车导航，提高无人车导航系统的定位精度和可靠性，克服室内地区因空间导航信号遮挡导航接收机无法定位，无法对航位推算系统进行校正的问题。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器和数据处理与算法运行平台；GNSS/伪卫星接收机用于利用全向接收天线接收伪卫星信号，并发送至数据处理与算法运行平台；里程计用于获取车前进的速度和方位，并发送至数据处理与算法运行平台；惯性传感器用于获取车机体的速度、方位和位置，并发送至数据处理与算法运行平台；数据处理与算法运行平台用于将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。其中，所述的GNSS/伪卫星接收机包括射频模块和GNSS/伪卫星导航芯片；射频模块用于将接收的伪卫星信号转换为中频信号，然后发送到GNSS/伪卫星导航芯片；GNSS/伪卫星导航芯片用于根据中频信号获得包括载波相位、伪距和可见卫星号在内的阵列伪卫星观测数据。其中，所述的数据处理与算法运行平台包括数据接收与解析模块、航位推算模块、伪卫星信号图谱匹配模块以及伪卫星与航位估算融合模块；数据接收与解析模块用于同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；航位推算模块用于使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；伪卫星信号图谱匹配模块用于将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；伪卫星与航位估算融合模块用于将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，包括如下步骤：步骤1：初始化标定：创建伪卫星室内区域信号图谱模型，并且在地面上标出一个已知点；步骤2：位置初始化：启动无人车、GNSS/伪卫星接收机、惯性传感器和里程计，控制无人车至已知点，设置该已知点作为航位推算的初始位置；步骤3：GNSS/伪卫星接收机接收伪卫星信号，同时，里程计获取车前进的速度和方位，惯性传感器获取车机体的速度、方位和位置，并分别传输至数据处理与算法运行平台；步骤4：数据处理与算法运行平台将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。其中，所述步骤4包括以下子步骤：(401)数据接收与解析模块同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；(402)航位推算模块使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；同时，伪卫星信号图谱匹配模块将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；(403)伪卫星与航位估算融合模块若接收到伪卫星匹配的绝对位置，则采用EKF将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计，否则只输出航位推算位置。其中，所述步骤1中创建伪卫星室内区域信号图谱模型步骤如以下：步骤1：选择一块无人车导航车活动的区域；步骤2：将该区域划分出网格，网格交点为参考点；步骤3：将接收机天线放置在参考点上，每一个参考点处采集伪卫星数据设定时间，记录每个参考点处的伪卫星观测量和该参考点位置；其中，伪卫星观测量包括载波相位、伪距平均观测量数值和卫星号；步骤4：将每个参考点位置和该参考点处的伪卫星观测量经深度学习算法训练出参考点位置与伪卫星观测量的匹配模型，形成伪卫星室内在该区域的伪卫星信号图谱模型。其中，伪卫星室内区域信号图谱模型预先创建时，采集伪卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器和数据处理与算法运行平台；/nGNSS/伪卫星接收机用于利用全向接收天线接收伪卫星信号，并发送至数据处理与算法运行平台；/n里程计用于获取车前进的速度和方位，并发送至数据处理与算法运行平台；/n惯性传感器用于获取车机体的速度、方位和位置，并发送至数据处理与算法运行平台；/n数据处理与算法运行平台用于将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，包括GNSS/伪卫星接收机、全向接收天线、里程计、惯性传感器和数据处理与算法运行平台；
GNSS/伪卫星接收机用于利用全向接收天线接收伪卫星信号，并发送至数据处理与算法运行平台；
里程计用于获取车前进的速度和方位，并发送至数据处理与算法运行平台；
惯性传感器用于获取车机体的速度、方位和位置，并发送至数据处理与算法运行平台；
数据处理与算法运行平台用于将里程计获取的速度和方位信息与惯性传感器获取的速度、方位和位置信息进行融合，获得航位推算位置；并利用伪卫星室内区域信号图谱模型对伪卫星信号实时匹配获得绝对位置，利用获取的绝对位置与航位推算位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。


2.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，所述的GNSS/伪卫星接收机包括射频模块和GNSS/伪卫星导航芯片；
射频模块用于将接收的伪卫星信号转换为中频信号，然后发送到GNSS/伪卫星导航芯片；
GNSS/伪卫星导航芯片用于根据中频信号获得包括载波相位、伪距和可见卫星号在内的阵列伪卫星观测数据。


3.根据权利要求1所述的一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航系统，其特征在于，所述的数据处理与算法运行平台包括数据接收与解析模块、航位推算模块、伪卫星信号图谱匹配模块以及伪卫星与航位估算融合模块；
数据接收与解析模块用于同时接收GNSS/伪卫星接收机、里程计和惯性传感器发送的原始观测量数据并进行解析，将惯性传感器传输的速度、方位和位置信息以及里程计传输的速度和方位信息发送至航位推算模块，将解析出的阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号发送至伪卫星信号图谱匹配模块；
航位推算模块用于使用INS机制对惯性传感器传输的速度、方位和位置信息进行处理，得到基于惯性传感器数据的速度和方位估计信息，然后使用松组合扩展卡尔曼滤波模型将速度和方位估计信息与里程计传输的速度和方位信息进行融合，获得航位推算位置并发送至伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星信号图谱匹配模块用于将阵列伪卫星载波相位、伪距观测量和卫星号与伪卫星信号图谱进行匹配获得绝对位置，将绝对位置发送到伪卫星与航位估算融合模块；
伪卫星与航位估算融合模块用于将航位推算位置与绝对位置进行融合，对航位推算位置进行校正，获得最终的位置估计。


4.一种基于伪卫星室内信号图谱校正的无人导航方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：初始化标定：创建伪卫星室内区域信号图谱模型，并且在地面上标出一个已知点；
步骤2：位置初始化：启动无人车、GNSS/伪卫星接收机、惯性传感器和里程...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔚保国，祝瑞辉，李爽，贾浩男，黄璐，李雅宁，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13