融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法，应用于卫星导航和航位推算技术领域，包括：GNSS模块、PDR模块、联合步长估计模块、联合航向估计模块、位置更新模块。本发明专利技术有效地降低了行人航位推算(PDR)由于受限于MEMS器件的低性能随着时间增长产生显著的积累误差，融合了PDR和GNSS，从而给出了最优的航向与步长估计。向与步长估计。向与步长估计。

【技术实现步骤摘要】
融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法


[0001]本专利技术涉及卫星导航和航位推算
，尤其涉及融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法。

技术介绍

[0002]伴随着智能手机的发展，很多传统用于高精度导航领域的专业传感器都被集成到其中，比如GNSS接收机、IMU(陀螺仪和加速度计)等。但是低成本器件的性能相比于专业级设备在性能指标上差别巨大，比如MEMS加速度计的零偏一般大于0.03m/s2，MEMS陀螺仪的零偏一般大于100
°
/h，而基于单点定位的手机GNSS定位精度通常在10m左右。正因如此，传统的捷联惯导算法(SINS)在MEMS IMU上几乎无法实现，因此研究人员渐渐地转移了关注点。虽然MEMS的低精度会在SINS中导致积分误差，但是在某些应用场景下，比如行人、车辆行驶等，同样会利用MEMS传感器来辅助姿态测量，而且该姿态变化具有一定的规律性，因此通过设计相应的算法可以在适当程度上消除MEMS器件带来的积分误差，由此发展了行人航位推算(PDR)、车辆航位推算(VDR)等研究方向。以传统的GNSS和INS组合导航为例，这是一种高度地优势互补系统，因此在多个应用领域都取得了成功。然而在智能手机上，一方面是由于前述的MEMS性能不足支持INS，另一方面受限于各自系统的开放程度，很难实现两个系统更紧的耦合。组合导航根据耦合程度的深浅可以划分成三种类型：在定位结果层面的松耦合，在观测量层面的紧耦合以及在信号跟踪层面的深耦合。伴随着近些年来安卓手机原始GNSS观测量的开放，目前理论上是支持MEMS与低成本GNSS的紧耦合，但是此类研究仍然存在巨大挑战。
[0003]因为基于智能手机的低成本MEMS与GNSS目前仍然无法实现GNSS/INS组合导航，而基于MEMS的PDR与GNSS的融合却被认为是可实现的。如同上文，基于PDR和低成本GNSS的融合可以是松耦合，也可以是紧耦合。传统方法是一种在城市环境下基于3D地图辅助GNSS和PDR的融合算法框架，该算法将PDR的输出步长与航向以及3D
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GNSS的位置与精度等信息一并送入卡尔曼滤波器，从而获得融合结果，因此这是一种松耦合方式。其中的卡尔曼滤波器的观测来自3D
‑
GNSS，而PDR的输出则用于控制输入，这是因为行人的轨迹具有很大不确定性，难以用线性状态转移方程描述，因此文中采用PDR的实时观测来更新状态转移方程，但由于PDR仍然存在累积误差，因此这种设计还是不可避免地导致整体系统存在随时间积累的误差，导致最终的偏航。传统方法中采用扩展卡尔曼滤波器(EKF)融合PDR和GNSS，该算法是直接基于MEMS传感器的输出信息，因此可以视为一种紧耦合算法。该算法采用GNSS推导的航向来辅助MEMS陀螺仪的航向估计，从而提高了航向估计准确度，但是GNSS航向存在的严重噪声问题并没有很好地解决，因此导致最终的轨迹输出的初始阶段严重依赖于GNSS的航向。
[0004]因此，提供一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法，来解决上述技术问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统及方法，通过筛选事件树分支、小样本结合先进抽样方法，建立降阶模型，减少计算分支数和单分支计算次数，提高单次系统仿真效率等主要步骤，使得整个分析流程的效率得到明显的提升。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统，包括：
[0008]GNSS模块、PDR模块、联合步长估计模块、联合航向估计模块、位置更新模块；
[0009]GNSS模块将GNSS步长估计发送至联合步长估计模块的第一输入端；
[0010]GNSS模块将GNSS航向估计发送至联合航向估计模块的第一输入端；
[0011]PDR模块将PDR步长估计发送至联合步长估计模块的第二输入端；
[0012]PDR模块将PDR步态检测发送至联合步长估计模块的第三输入端；
[0013]PDR模块将PDR航向估计发送至联合航向估计模块的第二输入端；
[0014]联合步长估计模块将联合步长估计信息发送至位置更新模块的第一输入端；
[0015]联合航向估计模块将联合航向估计信息发送至位置更新模块的第二输入端；
[0016]位置更新模块，用于根据接收到的联合步长估计信息和联合航向估计信息更进位置信息。
[0017]可选的，PDR模块包括：加速度计、陀螺仪、磁力计、步长估计单元、步态检测单元和航向估计单元；
[0018]加速度计将加速度数据发送至步长估计模块，步长估计模块输出PDR步长估计；
[0019]加速度计加速度数据发送至步态检测模块，步态检测模块输出PDR步态检测；
[0020]陀螺仪和磁力计将检测数据发送至航向估计单元，航向估计单元输出PDR航向估计。
[0021]可选的，GNSS模块包括：GNSS接收机、坐标转换单元和GNSS推算单元；
[0022]GNSS接收机将经纬高信息发送至坐标转换单元，坐标转换单元将经纬高信信息转换为东北天坐标，并将东北天坐标发送至GNSS推算单元，GNSS推算单元将东北天坐标转换为GNSS步长估计和GNSS航向估计。
[0023]可选的，还包括地图显示模块，与位置更新模块的输出端连接，用于接收位置更新模块输出的位置结果在地图上显示。
[0024]一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位方法，行人初始位置由GNSS模块提供，包括以下步骤：
[0025]行人初始位置获取步骤：获取GNSS接收机定位信息和卫星信息；
[0026]融合数据获取步骤：获取PDR步长估计和PDR航向估计，GNSS步长估计和GNSS航向估计；
[0027]联合步长估计步骤：将PDR步长估计和GNSS步长估计通过加权计算进行融合，得到联合步长估计信息；
[0028]联合航向估计步骤：将PDR航向估计和GNSS航向估计进行融合，得到联合航向估计信息；
[0029]位置更新步骤：根据联合步长估计信息和联合航向估计信息进行行人位置的迭代更新。
[0030]可选的，融合数据获取步骤中PDR步长估计采用以步频和加速度方差为变量的二元线性回归模型，其表达式如下式：
[0031][0032]其中，f
S
是步频，为加速度方差，α与β是权重因子，γ为常量；
[0033]PDR航向估计采用陀螺仪和磁力计的冗余信息得到航向估计。
[0034]可选的，融合数据获取步骤中，还包括将PDR与GNSS输出数据同步，具体内容为：
[0035]在GNSS的m和m+1时刻之间，有两个PDR输出，分别是n+1和n+2，对应得到{θ
n+1
,SL
n+1
}和{θ
n+2
,SL...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统，其特征在于，包括：GNSS模块、PDR模块、联合步长估计模块、联合航向估计模块、位置更新模块；GNSS模块将GNSS步长估计发送至联合步长估计模块的第一输入端；GNSS模块将GNSS航向估计发送至联合航向估计模块的第一输入端；PDR模块将PDR步长估计发送至联合步长估计模块的第二输入端；PDR模块将PDR步态检测发送至联合步长估计模块的第三输入端；PDR模块将PDR航向估计发送至联合航向估计模块的第二输入端；联合步长估计模块将联合步长估计信息发送至位置更新模块的第一输入端；联合航向估计模块将联合航向估计信息发送至位置更新模块的第二输入端；位置更新模块，用于根据接收到的联合步长估计信息和联合航向估计信息更进位置信息。2.根据权利要求1的一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统，其特征在于，PDR模块包括：加速度计、陀螺仪、磁力计、步长估计单元、步态检测单元和航向估计单元；加速度计将加速度数据发送至步长估计模块，步长估计模块输出PDR步长估计；加速度计加速度数据发送至步态检测模块，步态检测模块输出PDR步态检测；陀螺仪和磁力计将检测数据发送至航向估计单元，航向估计单元输出PDR航向估计。3.根据权利要求1的一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统，其特征在于，GNSS模块包括：GNSS接收机、坐标转换单元和GNSS推算单元；GNSS接收机将经纬高信息发送至坐标转换单元，坐标转换单元将经纬高信信息转换为东北天坐标，并将东北天坐标发送至GNSS推算单元，GNSS推算单元将东北天坐标转换为GNSS步长估计和GNSS航向估计。4.根据权利要求1的一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位系统，其特征在于，还包括地图显示模块，与位置更新模块的输出端连接，用于接收位置更新模块输出的位置结果在地图上显示。5.一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，行人初始位置由GNSS模块提供，包括以下步骤：行人初始位置获取步骤：获取GNSS接收机定位信息和卫星信息；融合数据获取步骤：获取PDR步长估计和PDR航向估计，GNSS步长估计和GNSS航向估计；联合步长估计步骤：将PDR步长估计和GNSS步长估计通过加权计算进行融合，得到联合步长估计信息；联合航向估计步骤：将PDR航向估计和GNSS航向估计进行融合，得到联合航向估计信息；位置更新步骤：根据联合步长估计信息和联合航向估计信息进行行人位置的迭代更新。6.根据权利要求5的一种融合PDR/GNSS的室内外无缝定位方法，其特征在于，融合数据获取步骤中PDR步长估计采用以步频和加速度方差为变量的...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛昊，钱久超，梅军辉，刘佩林，
申请(专利权)人：上海数迹智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：