基于多传感器数据融合的ＧＰＳ辅助定位系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术涉及导航定位技术领域，具体涉及基于多传感器数据融合的导航定位技术，其中基于多传感器数据融合的ＧＰＳ辅助定位系统，包括ＧＰＳ导航系统，由ＧＰＳ模块及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的ＧＰＳ位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；陀螺仪和加速度计组合系统，由陀螺仪、加速度计及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的角速度、速度和加速度；数据处理及融合模块，将ＧＰＳ导航系统和陀螺仪和加速度计组合系统获取的数据进行融合，获得载体位置信息；以及地图匹配模块，对数字电子地图和数据处理及融合模块输出的载体位置信息的误差进行校正，获得载体的最终位置信息；本发明专利技术还提供基于多传感器数据融合的ＧＰＳ辅助定位方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及导航定位
，具体涉及基于多传感器数据融合的导航定位技 术。
技术介绍
现有的导航定位技术，多为单一的导航系统。如最常用的GPS (Global Positioning System)系统，GPS系统是一种无线电导航 系统，作为最早应用于导航定位系统的高新技术，有着在全球范围内、在任意时刻、任意气 象条件下为用户提供连续不断的高精度三维位置、速度和时间信息的特点，导航精度高，不 随时间发散，即长期稳定性好。但GPS定位依赖于接收机看到的卫星星座，所以在某些特定的环境下，GPS接收机 丢失信号不能提供正确的服务，定位不精确限制了它的广泛使用。不精确定位的原因包括①多路径效应，即建筑物对GPS信号的反射；②阴影，即 城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓密的植被下，信号接收效果较差；③在隧道、地 下停车场造成的信号失锁；④在接收信号差的地区延长了初始化时间；⑤一些动态影响， 如汽车大幅度增速与减速等。以上原因都会使GPS接收机无法定位或定位精度下降，误差 甚至大于500米。再如航位推算DR(Dead Reckoning)系统，DR系统是用于发现车辆某时刻位置的 一种系统，它是根据车辆某一已行驶过的位置的特定路线和行驶里程来推算的。行驶里程 由磁性罗盘和差动里程表计算出的时间和速度决定。它采集车辆运动传感器信息进行独立 连续的导航，它由测量航向的传感器和测量距离的传感器构成，与GPS相比，DR可以自主定 位，不存在遮挡等问题引起的列车定位信息遗失。但DR系统的初始位置无法自主得到，并 且航迹推算是一个累加的过程，不同时刻的测量误差和计算误差都会累积起来，随着时间 的推移，如果长时间单独使用，航位推算的定位精度将有可能下降。因此，只能保证短时间 的定位精度。因此，单一的导航系统，均不能在各种复杂情形下满足定位精度需求。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决上述问题，本专利技术公开了基于多传感器数据融合的GPS辅助 定位系统，可提高定位精度。本专利技术的目的是这样实现的基于多传感器数据融合的GPS辅助定位系统，包括GPS导航系统，由GPS模块及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的GPS位 置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；陀螺仪和加速度计组合系统，由陀螺仪、加速度计及其数据采集及处理模块组成， 用于获取载体的角速度、速度和加速度；数据处理及融合模块，将GPS导航系统和陀螺仪和加速度计组合系统获取的数据进行融合，获得载体位置信息；以及地图匹配模块，对数字电子地图和数据处理及融合模块输出的载体位置信息的误 差进行校正，获得载体的最终位置信息。进一步，所述数据处理及融合模块包括数据处理模块和数据融合模块，所述数据 融合模块为卡尔曼滤波器；进一步，所述数据处理模块包括数据校正模块和航位推算模块，所述数据校正模 块将陀螺仪、加速度计测得的数据转换到与GPS导航系统统一的坐标系，所述航位推算模 块根据陀螺仪、加速度计测得的数据推算载体的位置信息；进一步，所述地图匹配模块将最终位置信息反馈回航位推算模块，作为航位推算 模块的计算初值。本专利技术还提供可提高定位精度的基于多传感器数据融合的GPS辅助定位方法，包 括如下步骤1)通过GPS导航系统，获取载体的位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数 据；2)通过陀螺仪和加速度计组合系统，获取载体角速度、速度和加速度；3)将步骤1、2)获取的数据进行融合，获得载体位置信息；4)对步骤3)获得的载体位置信息与数字电子地图进行匹配，获得载体的最终位 置信息并输出。进一步，所述步骤3)具体包括如下步骤31)判断卫星数是否大于阈值，若大于阈值，则输出GPS定位信息到数据融合模 块，如否，则不输出GPS定位信息到数据融合模块；32)根据步骤2)获取的载体角速度、速度和加速度及地图匹配模块反馈载体最终 位置信息进行航位推算；33)判断载体速度是否为0，如是，则以航位推算获得的定位信息为载体位置信 息，如否，执行步骤34)；34)对GPS导航系统获取的定位信息与航位推算获得的定位信息进行融合；进一步，所述步骤34)是通过卡尔曼滤波器进行数据融合；进一步，所述步骤34)具体包括如下步骤341)从GPS定位信息中提取位置(xg，yg)，速度vg，方向9g，位置精度强弱度，从 导航推算模块提取推算位置(xd，yd)、速度vd、方向θ d ；342)根据位置精度强弱度自适应调整信息分配因子β2 = 1-β1;‘“0. 99PDOPSl0 M 1/PD0P 1〈PD0P<4、1/4PD0P 4彡PDOP .上式中，β工和β 2分别为GPS定位信息与导航推算获得的定位信息的信息分配因 子，PDOP为位置精度强弱度；343)根据信息分配因子自来分配权重 344)通过推测算法来得到位置信息 345)处理Xl，X，yl，y的分配因子的权重 V、是通过前两个时刻位置信息推算出来载体速度，X01，y01和X02，y。，分别为前两个时刻位置的位置信息，o、是X、，y、的权重，o，是X，，y，的权重； 346)通过下式获得载体位置信息X— o 1 ．Xl+o ．X y—o 1．yl+o．y。 本专利技术的有益效果是利用GPS可实时测定载体相应动态时刻的三维地理坐标，而GA工S可用以实时确定载体的姿态，在GPS正常工作的情况下，将GPS信号送给数据处理及融合模块，分配权重，使GPS信息作为主信息，GA工S作为辅助信息；当遇到“城市峡谷”等障碍区时，GPS信号会消失或减弱，这时采用GA工S信息作为主信息，GPS信息作为辅助信息，GPS失效前一点位置正好可以作为组合的初始位置，有了初始位置以后，利用GA工S就可以对下一时刻移动载体的位置做出估计。通过改进型的卡尔曼滤波将二者所获取的数据进行融合，然后采用地图匹配算法来进一步提高GPS和GA工S的精度，最终可确定移动载体的方位。利用最终的导航信息反馈校正GA工S的数据，可获得更加精确的数据。利用多传感器组合定位技术信息互补的特点，采用改进型卡尔曼滤波将所得信息进行数据融合，得到比单一传感器定位更精确的定位数据，适用面更广，而且能够满足移动载体在复杂的动态工作环境下的定位需要，能够有效地提高移动载体导航定位的性能和可靠性，符合高精度导航定位要求。附图说明 为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述 图l示出了本专利技术基于多传感器数据融合的GPS辅助定位系统的结构示意 图2示出了本专利技术基于多传感器数据融合的GPS辅助定位方法中数据融合步骤的流程示意 图3示出了本专利技术基于多传感器数据融合的GPS辅助定位系统中地图匹配模块的结构示意图4示出了车辆运动模型示意图。 具体实施例方式以下将对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。参见图1，本实施例的基于多传感器数据融合的GPS辅助定位系统，包括GPS导航 系统、陀螺仪和加速度计组合系统、数据处理及融合模块和地图匹配模块。GPS导航系统，由GPS模块及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的GPS定 位信息，包括位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；GPS定位技术的基本原理是 以高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，卫星不问断地发送自身的星历本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多传感器数据融合的ＧＰＳ辅助定位系统，其特征在于：包括　　ＧＰＳ导航系统，由ＧＰＳ模块及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的ＧＰＳ位置、速度、时间、卫星数和位置精度强弱度数据；　　陀螺仪和加速度计组合系统，由陀螺仪、加速度计及其数据采集及处理模块组成，用于获取载体的角速度、速度和加速度；　　数据处理及融合模块，将ＧＰＳ导航系统和陀螺仪和加速度计组合系统获取的数据进行融合，获得载体位置信息；以及　　地图匹配模块，对数字电子地图和数据处理及融合模块输出的载体位置信息的误差进行校正，获得载体的最终位置信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陶洋，黄宏程，万俊，任步廷，鲁贝贝，
申请(专利权)人：陶洋，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]