基于相对导航信息的多源融合导航方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于相对导航信息的多源融合导航方法及系统，充分利用导航系统内的导航信息，将自身的绝对导航信息和与其他节点的相对定位信息相融合，实现事半功倍的效果，提高了在复杂环境中的个体和整体的导航精度，较单一导航源的场景，提高了导航的准确性和鲁棒性；采用惯导和卫星作为组合导航主体框架，并结合其他可用的导航设备，进行组合导航获得初步的导航信息，同时利用测距、测向传感器获取相对位置和角度，最终所有导航信息都实时显示在终端；不局限于两个节点，适用范围较广；不局限于节点之间的连接方式；不局限于某一种智能体，实现个体和整体导航精度的提升；不局限于惯性导航设备的精度，可以同时适应高、低精度的设备。的设备。的设备。

【技术实现步骤摘要】
基于相对导航信息的多源融合导航方法及系统


[0001]本专利技术涉及多源融合导航
，具体涉及基于相对导航信息的多源融合导航方法及系统。

技术介绍

[0002]随着国家信息技术的不断发展，定位与导航技术发展的十分迅速，包括卫星定位系统、各类传感器以及无线通信信号在内的多种定位方式以及其组合，能够为人们在各种应用场景下提供导航定位服务。但是不同传感器的性能和特性存在不同，在不同的环境中都可能会面临受限甚至失效的挑战，例如全球卫星导航系统(GNSS)在展厅、仓库、矿井等室内环境以及水下、城市楼宇、山脉峡谷等复杂环境下，卫星信号被遮挡或干扰无法正常工作；而视觉传感器由于其定位原理容易受到环境光线的影响，且输出频率低。在这种情况下，导航系统的连续性和鲁棒性难以得到保证。
[0003]因此，目前亟需针对复杂环境的导航方法，能够提高导航的精度、连续性和鲁棒性。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了基于相对导航信息的多源融合导航方法及系统，利用环境中节点的相对导航信息与自身的绝对导航信息相融合，增加了导航信息源，从而提高导航系统的整体精度和鲁棒性，能够保证在复杂环境下的精准、连续的导航。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]基于相对导航信息的多源融合导航方法，在执行导航任务的所有导航时刻，均执行执行步骤S1～S3，直至导航任务完成。
[0007]S1、根据节点所在位置；利用卫星导航设备和惯性导航设备分别获取各个节点的状态向量和观测向量，通过滤波融合，得到各个节点的初步绝对导航信息。
[0008]S2、获取相邻节点之间的相对位置和方向信息作为量测值；通过相对导航运动模型建立第一状态方程和量测方程，然后通过滤波融合得到节点的相对导航信息。
[0009]S3、将各节点的初步绝对导航信息作为状态量，相对导航信息作为观测量，代入第二状态方程和观测方程，通过集中式的滤波算法将相对导航信息与初步绝对导航信息进行滤波融合，得到最终输出的绝对导航信息。
[0010]进一步的，获取相邻节点之间的相对位置和方向信息作为量测值，具体获取方法为：
[0011]首先，判断节点之间的合作方式；非合作式的节点利用测距设备和测向设备得到相对位置和方向信息作为量测值；合作式的节点根据绝对导航信息，计算得到相对位置和方向信息作为量测值。
[0012]进一步的，第一状态方程的公式为：
[0013][0014]其中，k表示当前导航时刻，为当前时刻的相对导航状态向量；为k+1时刻的相对导航状态向量，由当前时刻的状态递推得到；F
k+1,k
为相对导航过程中的状态转移矩阵；G
k
‑
为相对导航过程中的过程噪声分布矩阵；为相对导航过程中的系统噪声。
[0015]量测方程的公式为：
[0016][0017]其中，为k+1时刻的相对导航状态向量的量测矩阵，为k+1时刻的观测噪声，作为k+1时刻的相对导航信息输出。
[0018]进一步的，第二状态方程的公式为：
[0019][0020]其中，为k+1时刻的节点绝对导航状态向量，Ψ
k+1,k
为绝对信息融合的状态转移矩阵，Λ
k
为绝对信息融合的过程噪声分布矩阵，为绝对信息融合的系统噪声。
[0021]观测方程的公式为：
[0022][0023]其中，为k+1时刻的绝对信息融合的观测向量，作为节点的绝对导航信息输出；为k+1时刻的绝对信息融合的观测矩阵，为k+1时刻的节点绝对导航状态向量，为k+1时刻的绝对信息融合的观测噪声。
[0024]基于相对导航信息的多源融合导航系统，其特征在于，用于执行上述的方法，系统包括：
[0025]每个节点上均部署如下设备：导航信息解算模块、卫星导航设备、惯性导航设备、数据传输设备、测距设备、测向设备和数据显示终端。
[0026]卫星导航设备和惯性导航设备用于获取节点的状态向量和观测向量，作为绝对导航信息。
[0027]导航信息解算模块用于将相对导航信息与初步绝对导航信息进行滤波融合，得到最终输出的绝对导航信息。
[0028]测距设备和测向设备用于获取节点之间的相对距离和方向信息，作为相对导航信息。
[0029]数据传输设备用于获得其他节点的初步绝对导航信息。
[0030]数据显示终端用于显示最终输出的绝对导航信息和相对导航信息。
[0031]进一步的，系统还包括每个节点对应的其他导航设备，其中包括视觉传感器；其他导航设备用于获取节点的状态向量和观测向量。
[0032]有益效果：
[0033]1、本专利技术提供了基于相对导航信息的多源融合导航方法，充分利用导航系统内的导航信息，将自身的绝对导航信息和与其他节点的相对导航信息相融合，实现“1+1>2”的效果，与仅依靠自身导航源相比，充分利用环境中其余节点的导航定位信息，将不同导航节点的定位信息进行信息共享以及优化处理，提高了在复杂环境中的个体和整体的导航精度；较单一导航源的场景，提高了导航的准确性和鲁棒性。
[0034]2、本专利技术方法在获取节点间的相对导航信息时，不局限于节点之间的连接方式，适用于合作和非合作方式的节点，非合作式的节点利用测距设备和测向设备得到相对位置和方向信息；合作式的节点根据绝对导航信息，计算得到相对位置和方向信息。
[0035]3、本专利技术提供了基于相对导航信息的多源融合导航系统，采用惯导和卫星作为组合导航主体框架，并结合其他可用的导航设备，进行组合导航获得初步的导航信息，同时利用测距、测向传感器获取相对位置和角度，最终所有导航信息都实时显示在终端。
[0036]4、本专利技术不局限于两个节点，适用范围较广。
[0037]5、本专利技术的节点可以是智能体，但不局限于某一种智能体，可以是无人车、无人机以及人，实现个体和整体导航精度的提升。
[0038]6、本专利技术系统不局限于惯性导航设备的精度，可以同时适应高、低精度的设备。
附图说明
[0039]图1为本专利技术的系统结构框架图。
[0040]图2为本专利技术的方法流程图。
[0041]图3为本专利技术方法步骤S1的分步骤流程图。
[0042]图4为本专利技术方法步骤S2的分步骤流程图。
[0043]图5为本专利技术实施例的相对导航信息解算误差图。
[0044]图6为本专利技术实施例的绝对导航信息解算误差图。
具体实施方式
[0045]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0046]如图2所示，本专利技术提供了基于相对导航信息的多源融合导航方法，在当前导航时刻k下，具体步骤包括：
[0047]S1、根据节点所在位置，建立ENU坐标系；利用卫星导航设备和惯性导航设备分别获取各个节点的状态向量和观测向量，通过滤波融合，得到各个节点的初步绝对导航信息。本专利技术实施例中，初始时刻的各种状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于相对导航信息的多源融合导航方法，其特征在于，在执行导航任务的所有导航时刻，均执行执行步骤S1～S3，直至导航任务完成；S1、根据节点所在位置；利用卫星导航设备和惯性导航设备分别获取各个节点的状态向量和观测向量，通过滤波融合，得到各个节点的初步绝对导航信息；S2、获取相邻节点之间的相对位置和方向信息作为量测值；通过相对导航运动模型建立第一状态方程和量测方程，然后通过滤波融合得到节点的相对导航信息；S3、将各节点的初步绝对导航信息作为状态量，相对导航信息作为观测量，代入第二状态方程和观测方程，通过集中式的滤波算法将相对导航信息与初步绝对导航信息进行滤波融合，得到最终输出的绝对导航信息。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取相邻节点之间的相对位置和方向信息作为量测值，具体获取方法为：首先，判断节点之间的合作方式；非合作式的节点利用测距设备和测向设备得到相对位置和方向信息作为量测值；合作式的节点根据绝对导航信息，计算得到相对位置和方向信息作为量测值。3.如权利要求1
‑
2所述的方法，其特征在于，所述第一状态方程的公式为：其中，k表示当前导航时刻，为当前时刻的相对导航状态向量；为k+1时刻的相对导航状态向量，由当前时刻的状态递推得到；F
k+1,k
为相对导航过程中的状态转移矩阵；G
k
为相对导航过程中的过程噪声分布矩阵；为相对导航过程中的系统噪声；所述量测方程的公式为：其中，为k+1时刻的相对导航状态向量的量测矩阵，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈凯，刘庭欣，李岳伦，刘宁，戚文昊，袁超杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：