專利名稱：Gps/ins組合定位導航系統的角度檢測校正方法
技術領域：
本發明涉及一種GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法。
背景技術：
車載導航市場上主流技術是GPS(Global Position System衛星定位導航系統)系統。GPS系統通過接收分布在天空的24顆衛星發送的無線信號計算定位信息，具有全球、全天候、高精度、實時定位等優點，但是由于無線信號的直線傳播特性，其動態性能和抗干擾能力較差，當GPS接收機在隧道、樹蔭或高樓附近時，衛星信號被遮擋，影響準確定位，甚至無法定位。INS(Inertial Navigation System慣性定位導航系統)系統具有自主導航能力，可以獨立給出載體姿態、速度和位置等定位導航信息，抗外界干擾能力強。隨著INS系統中慣性陀螺儀技術的發展，將INS系統應用于GPS系統中，即產生了GPS/INS組合定位導航系統，該系統可在GPS定位導航受影響時，通過INS系統進行定位導航。但INS系統的定位導航誤差隨時間延續而不斷增大，即誤差積累、漂移大。
INS系統包括陀螺儀和速率傳感器。陀螺儀測量移動載體(以汽車為例)行進過程中的角速度，以測量車輛行進過程中的轉角；速率傳感器測量汽車的速率，從而實現INS系統的定位導航。
但INS系統在定位導航時存在誤差，主要包括速率誤差和角速度誤差。角度誤差由上述陀螺儀產生，現有的陀螺儀多為微機械型陀螺儀，因其機械特性所導致的技術問題是角度測量隨著時間的延續，其測量誤差會不斷增大。因此，如何減小陀螺儀導致的角度誤差，確保GPS/INS組合定位導航系統的定位導航精度，是目前要解決的技術難題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種用于校正INS系統的角度測量誤差以提高定位導航精度的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法。
為解決上述技術問題，本發明的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，包括如下步驟A、GPS接收器中的GPS天線接收GPS信號，經射頻放大器送入GPS模塊的射頻信號輸入端，GPS模塊得出載體移動路線上各點的經緯度信號；INS模塊中的陀螺儀單元在移動路線上生成轉動角度信號，并將該信號送至GPS模塊的轉動角度信號輸入端；B、GPS模塊根據所述經緯度信號判斷載體移動路線是否處于非準直線狀態；C、當GPS模塊測得所述載體的移動路線在T1時刻進入非準直線狀態，并在T2時刻進入準直線狀態時，GPS模塊根據來自INS模塊中陀螺儀單元的分別在T1時刻和T2時刻生成的所述轉動角度信號得出載體在T1至T2時刻內的轉動角度θ1；GPS模塊根據在T1至T2時刻內所述載體移動路線上各點的經緯度信號計算出該載體的轉動角度θ2；D、GPS模塊得出在所述T1至T2時刻內GPS/INS組合定位導航系統的轉動角度的檢測誤差Δθ＝θ2-θ1；E、重復上述步驟A至D至少5次，并得到相應個數的Δθ，對各Δθ進行差值計算，并得到補償值α；F、GPS接收器接收經緯度信號受干擾時，GPS模塊根據來自INS模塊中陀螺儀單元生成的轉動角度信號結合所述補償值α，得出經誤差校正的移動轉角信號并送至CPU單元的導航定位信號輸入端。
上述步驟B中，當GPS模塊根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度小于15°時，則判斷載體移動路線處于準直線狀態；反之，當GPS模塊根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度不小于15°時，則判斷載體移動路線處于非準直線狀態。
上述步驟E中，對各Δθ進行差值計算時，先求各Δθ之和，后除以其總數，即得出所述補償值α。
上述技術方案中，GPS模塊定期重復上述步驟并得出補償值α，后在存儲器中替換原有的補償值α。
本發明具有積極的效果(1)本發明的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法利用GPS接收器對INS模塊(即INS系統)的陀螺儀單元生成的轉動角度信號進行校正，以在衛星信號被遮擋、GPS接收器接收經緯度信號受干擾時，GPS模塊將經誤差校正的移動轉角信號送至CPU單元，以減小GPS/INS組合定位導航系統的轉動角度檢測誤差，從而解決了INS系統的轉動角度誤差隨時間延續不斷增大，即誤差積累、漂移大的技術問題，最終提高了GPS/INS組合定位導航系統的定位導航精度。(2)重復本發明的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法中的步驟A至D的次數越多，各Δθ進行差值計算后所得的補償值α就越準確，CPU單元最終得到的經校正的轉動角度值θ也越精確。(3)本發明中，GPS模塊根據GPS接收器測得的經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度，并以15°為基準判斷載體移動路線是處于準直線狀態，還是處于非準直線狀態，有效防止了因載體移動路線發生小角度偏移，而產生錯誤判斷。(4)本發明中，采用差值計算適于得出較準確的補償值α。(5)本發明中，GPS模塊定期(如1星期1次)重復本發明的步驟GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法并得出補償值α，后在存儲器中替換原有的補償值α。因為在實際使用時，INS模塊中的陀螺儀單元常存在著機械誤差，使用越久誤差就越大，定期對轉動角度信號進行誤差校正并采用相應的補償值α，可及時減小誤差。
圖1為本發明的GPS/INS組合定位導航系統的電路原理圖。
圖2為本發明的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法的程序框圖。
圖3為本發明的GPS/INS組合定位導航系統的速率檢測校正方法的程序框圖。
具體實施例方式
(實施例1)見圖1，本實施例的GPS/INS組合定位導航系統適用于汽車、輪船等可沿直線移動的載體，其包括CPU單元1、INS模塊2、用于接收經緯度信號的GPS接收器3和觸摸屏操控單元4。
GPS接收器3包括GPS模塊31和與GPS模塊31的射頻信號輸入端相連的射頻放大器32；射頻放大器32的信號輸入端與GPS天線相連。
INS模塊2包括用于生成速率脈沖信號的速率檢測單元21和用于生成移動轉角信號的陀螺儀單元22；陀螺儀單元22的角度信號輸出端接GPS模塊31的角度信號輸入端；速率檢測單元21的速率脈沖信號輸出端接GPS模塊31的速率脈沖信號輸入端；GPS模塊31的定位導航信號輸出端與CPU單元1的導航定位導航信號輸入端雙向電連接。CPU單元1的顯示控制通信端與觸摸屏操控單元4的顯示控制通信端雙向電連接。
本實施例的GPS/INS組合定位導航系統的定位導航的工作原理如下系統開啟后，GPS模塊31的定位導航信號輸出端與CPU單元1的導航定位導航信號輸入端進行協議握手；然后，GPS接收器3開始工作，并將測得的載體所在的經緯度信息送入CPU單元1，CPU單元1根據GPS接收器3接收得的經緯度信號通過觸摸屏操控單元4進行定位導航。
載體開始移動后，INS模塊2中的陀螺儀單元22時刻檢測載體在移動路線上的轉動角度，并將測得的轉動角度信號送至GPS模塊31的轉動角度信號輸入端；同時，所述速率檢測單元21根據移動速率而產生相應的速率脈沖信號并將所述速率脈沖信號送入GPS接收器3中的GPS模塊31的速率脈沖信號輸入端。
若GPS接收器3內未存儲有經誤差校正的單個速率脈沖所對應的移動距離值和用于對移動轉角信號進行誤差校正的補償值α，則由GPS接收器3根據所述經緯度信號對單個速率脈沖所對應的移動距離值和移動轉角信號進行誤差校正，得出經誤差校正的單個速率脈沖所對應的移動距離值和用于對移動轉角信號進行誤差校正的補償值α，并作存儲；然后，將來自INS模塊2中陀螺儀單元22生成的轉動角度信號結合所述補償值α，得出經誤差校正的移動轉角信號。
若GPS接收器3內已存儲有經誤差校正的單個速率脈沖所對應的移動距離值和用于對移動轉角信號進行誤差校正的補償值α，則GPS模塊31首先將所述轉動角度信號結合所述補償值α進行誤差校正，并得出經誤差校正的移動轉角信號。(例如，若GPS接收器3接收的移動轉角信號對應的角度值為θ3，則經誤差校正的移動轉角信號對應的角度值為θ3+α。在其他實施例中，也可根據θ3值的大小，增加相應比例的α。)然后，GPS接收器3的定位導航信號輸出端將所述經緯度信號、速率脈沖信號、經誤差校正的單個速率脈沖所對應的移動距離值和經誤差校正的移動轉角信號送至CPU單元1的定位導航信號輸入端。
僅當在GPS接收器3接收經緯度信號受干擾時，CPU單元1根據所述速率脈沖信號、經誤差校正的單個速率脈沖所對應的移動距離值和經誤差校正的移動轉角信號通過觸摸屏操控單元4進行定位導航。
直至GPS接收器3能正常接收經緯度信號時，CPU單元1僅根據GPS接收器3接收得的經緯度信號通過觸摸屏操控單元4進行定位導航。
見圖3，上述GPS/INS組合定位導航系統的速率檢測校正方法的步驟為a、GPS天線接收GPS信號，經射頻放大器32送入GPS模塊31，GPS模塊31得到當前位置的經緯度信號；b、INS模塊2中的速率檢測單元21根據移動速率生成速率脈沖信號并送入GPS模塊31的速率脈沖信號輸入端；C、GPS模塊31根據移動路線上各點的經緯度信號判斷該移動路線是否為準直線，所述準直線為轉角小于15°的曲線；所述各點的間距可設為0.5m(其他實施例中，可設為0.1m、0.2m或1m，所述各點的間距越小，根據各點所得出的移動路線就越精確)。
d、當GPS模塊31測得所述移動路線為準直線時，GPS模塊31根據所述經緯度信號對來自INS模塊2的速率脈沖信號中的單個速率脈沖所對應的移動距離值進行誤差校正，并將誤差校正后的單個速率脈沖所對應的移動距離值送至CPU單元1的定位導航信號輸入端。在該步驟中，對單個速率脈沖所對應的移動距離值進行誤差校正的步驟包括GPS模塊31把當前的經緯度信號標記為移動的起始點，從該起始點開始移動，直至測得一點a至所述起始點之間的直線距離為預設值1km(其它實施例中，可以是1.5km、2km，甚至更多，直線距離的預設值越高，得出單個速率脈沖所對應的距離值就越準確。)時，GPS模塊31把所述點a標記為終點；在上述期間，GPS模塊31記錄下INS模塊2在所述起始點至所述終點之間所產生的速率脈沖總數；GPS模塊31根據所述起始點和終點之間的移動路線上各點的經緯度信號計算出所述起始點和終點之間的移動路線的長度，然后與所述速率脈沖總數相除即得出單個速率脈沖所對應的距離值，即完成對單個速率脈沖所對應的距離值的誤差校正。
重復上述步驟a-d共5次(在其他實施例中，可以為7、10或15次，甚至更多，次數越多，得到二次誤差校正后的單個速率脈沖所對應的移動距離值就越準確)，并采用差值算法對單個速率脈沖所對應的距離值進行二次誤差校正，并得到二次誤差校正后的單個速率脈沖所對應的移動距離值。
所述差值濾波算法為速率脈沖數n與單個速率脈沖所對應的距離值s0相乘得出所述準直線的長度即實際行駛距離s＝n*s0，而s0對于一個給定系統為固定值。重復上述步驟a-d共5次，得5段實際行駛距離分別為s1、s2、s3、s4和s5，則s01＝(s2-s1)/(n2-n1)，s02＝(s3-s1)/(n3-n1)，s03＝(s4-s1)/(n4-n1)，s04＝(s5-s1)/(n5-n1)，s05＝(s3-s2)/(n3-n2)，s06＝(s4-s2)/(n4-n2)，s07＝(s5-s2)/(n5-n2)，s08＝(s4-s3)/(n4-n3)，s09＝(s5-s3)/(n5-n3)，s010＝(s5-s4)/(n5-n4)；求上述s01至s010之均值，即得到二次誤差校正后的單個速率脈沖所對應的移動距離值s0。
見圖2，本實施例的GPS/INS組合定位導航系統對陀螺儀單元22生成的轉動角度信號進行檢測和誤差校正的方法，包括如下步驟A、GPS接收器3中的GPS天線接收GPS信號，經射頻放大器32送入GPS模塊31的射頻信號輸入端，GPS模塊31得出載體移動路線上各點的經緯度信號；INS模塊2中的陀螺儀單元22在移動路線上生成轉動角度信號，并將該信號送至GPS模塊31的轉動角度信號輸入端；B、GPS模塊31根據所述經緯度信號判斷載體移動路線是否處于非準直線狀態；其中，當GPS模塊31根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度小于15°時，則判斷載體移動路線處于準直線狀態；反之，當GPS模塊31根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度不小于15°時，則判斷載體移動路線處于非準直線狀態。
C、當GPS模塊31測得所述載體的移動路線在T1時刻進入非準直線狀態，并在T2時刻進入準直線狀態時，GPS模塊31根據來自INS模塊2中陀螺儀單元22的分別在T1時刻和T2時刻生成的所述轉動角度信號得出載體在T1至T2時刻內的轉動角度θ1；GPS模塊31根據在T1至T2時刻內所述載體移動路線上各點的經緯度信號計算出該載體的轉動角度θ2；D、GPS模塊31得出在所述T1至T2時刻內GPS/INS組合定位導航系統的轉動角度的檢測誤差Δθ＝θ2-θ1；E、重復上述步驟A至D至少5次，并得到相應個數的Δθ，對各Δθ進行差值計算，并得到補償值α；其中，對各Δθ進行差值計算時，先求各Δθ之和，后除以其總數，即得出所述補償值α。
F、GPS接收器3接收經緯度信號受干擾時，GPS模塊31根據來自INS模塊2中陀螺儀單元22生成的轉動角度信號結合所述補償值α，得出經誤差校正的移動轉角信號并送至CPU單元1的導航定位信號輸入端。
GPS模塊31定期對單個速率脈沖所對應的移動距離值進行誤差校正并存儲替換現有的移動距離值。同時，還定期(如1星期1次)對移動轉角信號進行誤差校正，得出補償值α，并存儲替換現有的補償值。
權利要求
1.一種GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，包括如下步驟A、GPS接收器(3)中的GPS天線接收GPS信號，經射頻放大器(32)送入GPS模塊(31)的射頻信號輸入端，GPS模塊(31)得出載體移動路線上各點的經緯度信號；INS模塊(2)中的陀螺儀單元(22)在移動路線上生成轉動角度信號，并將該信號送至GPS模塊(31)的轉動角度信號輸入端；B、GPS模塊(31)根據所述經緯度信號判斷載體移動路線是否處于非準直線狀態；C、當GPS模塊(31)測得所述載體的移動路線在T1時刻進入非準直線狀態，并在T2時刻進入準直線狀態時，GPS模塊(31)根據來自INS模塊(2)中陀螺儀單元(22)的分別在T1時刻和T2時刻生成的所述轉動角度信號得出載體在T1至T2時刻內的轉動角度θ1；GPS模塊(31)根據在T1至T2時刻內所述載體移動路線上各點的經緯度信號計算出該載體的轉動角度θ2；D、GPS模塊(31)得出在所述T1至T2時刻內GPS/INS組合定位導航系統的轉動角度的檢測誤差Δθ＝θ2-θ1；E、重復上述步驟A至D至少5次，并得到相應個數的Δθ，對各Δθ進行差值計算，并得到補償值α；F、GPS接收器(3)接收經緯度信號受干擾時，GPS模塊(31)根據來自INS模塊(2)中陀螺儀單元(22)生成的轉動角度信號結合所述補償值α，得出經誤差校正的移動轉角信號并送至CPU單元(1)的導航定位信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，其特征在于上述步驟B中，當GPS模塊(31)根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度小于15°時，則判斷載體移動路線處于準直線狀態；反之，當GPS模塊(31)根據所述經緯度信號得出載體移動路線的轉動角度不小于15°時，則判斷載體移動路線處于非準直線狀態。
3.根據權利要求1或2所述的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，其特征在于上述步驟E中，對各Δθ進行差值計算時，先求各Δθ之和，后除以其總數，即得出所述補償值α。
4.根據權利要求3所述的GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，其特征在于GPS模塊(31)定期重復上述步驟并得出補償值α，后在存儲器中替換原有的補償值α。
全文摘要
本發明涉及一種GPS/INS組合定位導航系統的角度檢測校正方法，其利用GPS接收器對INS模塊中的陀螺儀單元生成的轉動角度信號進行校正，GPS信號受干擾時，CPU單元根據來自GPS模塊的經誤差校正的移動轉角信號進行角度檢測，以減小轉動角度檢測誤差，從而解決了INS系統的轉動角度誤差隨時間延續不斷增大，即誤差積累、漂移大的技術問題，最終提高了GPS/INS組合定位導航系統的定位導航精度。
文檔編號G01C21/10GK101017098SQ20071001977
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者秦春達, 姜加偉 申請人:江蘇新科數字技術有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
