基于GNSS-RTK与IMU的组合导航方法及设备技术

本发明专利技术涉及导航技术领域，具体涉及一种基于GNSS

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法及设备


[0001]本专利技术涉及导航
，具体涉及一种基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法及设备。

技术介绍

[0002]目前在对小轿车、客车、货车、特种作业车辆等机动车进行实时的高精度定位时，大多采用基于GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)的方案配合RTK(Real
‑
time kinematic，实时动态载波相位差分技术)来进行实现，该方案在传统的开阔和空旷区域可以实现对机动车实时位置的厘米级精度定位。但是，当车辆在城市、园区、特定道路等卫星定位信号受干扰、屏蔽等影响较大的场景下行驶时，或者在面向自动驾驶领域的实际运行场景下应用时，以及对机动车的定位数据需要进行连续和持续性的高精度保持时，仅仅依靠传统GNSS与RTK相结合的方式进行定位，依然会产生较大的定位偏移，难以达到预期的定位精度。
[0003]超紧致GPS(Global Positioning System，全球定位系统)和惯性耦合是一种纯硬件实现方案，存在技术门槛高、成本造价高的缺点，由于其将GPS与IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)采用超紧致的方式进行了耦合处理，对生产厂商的硬件制造、集成、成品率等提出了较高的要求，对于技术的应用存在较大的局限性不利于进行推广应用，而且会显著提高产品的生产成本。
[0004]传统的GNSS与IMU松组合导航模式，通常是将GNSS输出的位置、速度与IMU解算的位置、速度之差作为量测信息送入卡尔曼滤波器，然后通过滤波器估计并校正IMU解算的误差。这种方法忽略了GNSS本身的精度也存在一定概率的波动，GNSS模块给出的位置数据本身也存在一个误差，在某些情况下GNSS的误差值可能会高于IMU解算得到的误差值。忽略这种情况时，会存在当载体连续运动的时候，突然出现较大偏移的位置飞点，导致位置数据偏差过大。
[0005]针对上述中的相关技术，专利技术人认为如何在不增加太多成本的情况下提高连续定位的精度，已成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出了一种基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法及设备，在不增加太多成本的情况下提高了定位精度。
[0007]本专利技术的第一方面，提出了一种基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，所述方法包括：
[0008]待GNSS
‑
RTK模块初始化完成后，通过所述GNSS
‑
RTK模块获取载体的第一初始定位信息；所述第一初始定位信息包括：第一初始位置和第一初始速度；
[0009]根据所述第一初始定位信息，结合IMU模块反馈的传感器数据解算得到所述载体的第二初始定位信息；所述第二初始定位信息包括：第二初始位置、第二初始速度和初始姿
态角；
[0010]通过GNSS
‑
RTK模块获取所述载体的第一实时定位信息；所述第一实时定位信息包括：第一实时位置和第一实时速度；
[0011]根据所述IMU模块反馈的传感器数据，解算出所述载体的第二实时定位信息；所述第二实时定位信息包括：第二实时位置、第二实时速度和实时姿态角；
[0012]根据所述第一实时定位信息和所述第二实时定位信息进行组合导航，得到所述载体的第三实时定位信息；所述第三实时定位信息包括：第三实时位置、第三实时速度和所述实时姿态角。
[0013]优选地，所述IMU模块反馈的传感器数据包括：加速度计测量的线加速度和陀螺仪测量的角速度信息；
[0014]所述初始姿态角包括：初始俯仰角、初始横滚角和初始航向角；
[0015]“根据所述第一初始定位信息，结合IMU模块反馈的传感器数据解算得到所述载体的第二初始定位信息”的步骤包括：
[0016]待所述IMU模块初始化完成后，获取所述IMU模块反馈的传感器数据，进而根据下式确定从机体坐标系到导航坐标系的初始变换矩阵：
[0017]其中，n和b分别表示导航坐标系和机体坐标系；和分别表示根据所述第一初始位置获取的导航坐标系下的重力加速度和地球自转角速度；和分别表示所述IMU模块中的加速度计测量的线加速度和陀螺仪测量的角速度信息，且和均为机体坐标系下的值；
[0018]根据所述初始变换矩阵，将所述第一初始位置转换为机体坐标系下的所述第二初始位置；
[0019]确定所述第二初始速度和所述初始姿态角。
[0020]优选地，“根据所述IMU模块反馈的传感器数据，解算出所述载体的第二实时定位信息”的步骤包括：
[0021]计算所述实时姿态角；
[0022]计算所述第二实时速度；
[0023]计算所述第二实时位置。
[0024]优选地，所述实时姿态角包括：实时航向角、实时俯仰角和实时横滚角；
[0025]“计算所述实时姿态角”的步骤包括：
[0026]根据下式计算所述实时航向角：
[0027]根据下式计算所述实时俯仰角：θ＝arcsinC
32
[0028]根据下式计算所述实时横滚角：
[0029]其中，ψ、θ和φ分别代表所述实时航向角、所述实时俯仰角和所述实时横滚角；C
12
、C
22
、C
32
、C
31
和C
33
分别为姿态矩阵中相应位置的数值；所述姿态矩阵为由机体坐标系到导航计算坐标系的坐标变换矩阵。
[0030]优选地，“计算所述第二实时速度”的步骤包括：
[0031]根据下式计算速度增量：
[0032]其中，其中，
[0033]表示导航坐标系下k时刻的速度增量，n表示导航坐标系，表示导航坐标系下比力增量，表示加速度在导航坐标系下的余弦向量，Δt表示时间增量，g
n
表示导航坐标系下重力加速度，表示为k
‑
1时刻的姿态矩阵，b表示机体坐标系，I表示重力加速度补偿量，表示导航坐标系到机体坐标系的旋转矢量的角度，
×
表示的反对称矩阵，表示机体坐标系比力增量，表示每周期加计比力；
[0034]根据所述速度增量计算出所述第二实时速度。
[0035]优选地，“计算所述第二实时位置”的步骤包括：
[0036]根据下式计算所述载体的位移：
[0037]其中，表示导航坐标系下k时刻所述载体的位移，n表示导航坐标系，表示k
‑
1时刻的导航坐标系速度，表示重力哥氏加速度补偿量，T
k
表示k时刻的计算周期，表示k时刻的比力速度增量积分；
[0038]根据所述载体的位移和实时姿态矩阵计算出b系下所述第二实时位置。
[0039]优选地，“根据所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，其特征在于，所述方法包括：待GNSS
‑
RTK模块初始化完成后，通过所述GNSS
‑
RTK模块获取载体的第一初始定位信息；所述第一初始定位信息包括：第一初始位置和第一初始速度；根据所述第一初始定位信息，结合IMU模块反馈的传感器数据解算得到所述载体的第二初始定位信息；所述第二初始定位信息包括：第二初始位置、第二初始速度和初始姿态角；通过GNSS
‑
RTK模块获取所述载体的第一实时定位信息；所述第一实时定位信息包括：第一实时位置和第一实时速度；根据所述IMU模块反馈的传感器数据，解算出所述载体的第二实时定位信息；所述第二实时定位信息包括：第二实时位置、第二实时速度和实时姿态角；根据所述第一实时定位信息和所述第二实时定位信息进行组合导航，得到所述载体的第三实时定位信息；所述第三实时定位信息包括：第三实时位置、第三实时速度和所述实时姿态角。2.根据权利要求1所述的基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，其特征在于，所述IMU模块反馈的传感器数据包括：加速度计测量的线加速度和陀螺仪测量的角速度信息；所述初始姿态角包括：初始俯仰角、初始横滚角和初始航向角；“根据所述第一初始定位信息，结合IMU模块反馈的传感器数据解算得到所述载体的第二初始定位信息”的步骤包括：待所述IMU模块初始化完成后，获取所述IMU模块反馈的传感器数据，进而根据下式确定从机体坐标系到导航坐标系的初始变换矩阵：其中，n和b分别表示导航坐标系和机体坐标系；和分别表示根据所述第一初始位置获取的导航坐标系下的重力加速度和地球自转角速度；和分别表示所述IMU模块中的加速度计测量的线加速度和陀螺仪测量的角速度信息，且和均为机体坐标系下的值；根据所述初始变换矩阵，将所述第一初始位置转换为机体坐标系下的所述第二初始位置；确定所述第二初始速度和所述初始姿态角。3.根据权利要求1所述的基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，其特征在于，“根据所述IMU模块反馈的传感器数据，解算出所述载体的第二实时定位信息”的步骤包括：计算所述实时姿态角；计算所述第二实时速度；计算所述第二实时位置。
4.根据权利要求3所述的基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，其特征在于，所述实时姿态角包括：实时航向角、实时俯仰角和实时横滚角；“计算所述实时姿态角”的步骤包括：根据下式计算所述实时航向角：根据下式计算所述实时俯仰角：θ＝arcsinC
32
根据下式计算所述实时横滚角：其中，ψ、θ和φ分别代表所述实时航向角、所述实时俯仰角和所述实时横滚角；C
12
、C
22
、C
32
、C
31
和C
33
分别为姿态矩阵中相应位置的数值；所述姿态矩阵为由机体坐标系到导航计算坐标系的坐标变换矩阵。5.根据权利要求3所述的基于GNSS
‑
RTK与IMU的组合导航方法，其特征在于，“计算所述第二实时速度”的步骤包括：根据下式计算速度增量：其中，其中，其中，表示导航坐标系下k时刻的速度增量，n表示导航坐标系，表示导航坐标系下比力增量，表示加速度在导航坐标系下的余弦向量，Δt表示时间增...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎斌，陈俊，吴少华，
申请(专利权)人：智诚时空科技浙江有限公司，
类型：发明
国别省市：