[发明专利]步行导航仪

说明书

技术领域

步行导航仪是一种全新的为步行者开发的集定位、跟踪和导航等功能为一体的高精度电子设备。它可以服务于军用和民用两大领域，对促进我国国防现代化建设、保障国家安全、维护社会治安和保障人民生命安全起重要支持作用。

很多现代化的应用领域需要为步行者提供精准的定位信息。目前的相关技术和产品在定位精确度和覆盖范围等方面存在着一定的不足。美国和欧洲的众多研究机构和高科技公司正在投入巨资到这个研究领域。本发明提出的步行导航仪在很大程度上克服了同类技术和产品的不足，它能够在任何步行可以到达的地方为使用者提供精准稳定的定位、导航和跟踪等服务。这意味着它可以在其它技术和产品不能或不适合工作的环境下正常运转，包括室内、城区、工地等GPS(全球定位系统)不适合或根本不能工作的环境。它可以应用于军事反恐中的单兵定位、消防救灾中的消防人员导航、对地下矿井中的工人和易走失人群的跟踪等。这种全方位的定位技术不仅可以满足以上现存应用的需求，还极有可能催生出全新的应用领域，国内外市场前景极其宽广。

背景技术

目前，定位导航领域的主流技术GPS自从在1993年正式投入民用以来，它成为人类日常生活、科学研究和工业生产等方面的最主要的定位导航手段，但是由于GPS使用信号强度较弱的卫星信号，它不能够或不适合使用在室内、城区等一些不能从地面直视天空的场所，请见图1GPS适用范围图。因为它的这个明显的缺点，很多相关的为了填补这个空白的技术和产品应运而生。下面简单介绍这些技术的特点。

第一类技术是使用除GPS卫星信号以外的其它无线电信号来覆盖GPS不能覆盖的区域，包括手机信号、WiFi信号、Zigbee信号和UWB信号等。手机信号定位技术利用现有的手机无线网络，但是定位精度受到多方面限制，如基站布置的位置常常呈一条直线，几何形状不适合定位；无线信号原本的设计目的是语音和数据不适合定位；各基站不具有高度同步的时钟，不具有推算高精度的位置的能力，通常有50米左右的误差。WiFi、Zigbee和UWB等小型无线网络被设计用来在几十米到几百米的小型区域使用，并且它们的信号原本的设计目的也是数据传输，不适合定位，所以它们也无法满足许多应用的要求。

第二类技术是对GPS进行改进或者在GPS基础上添加辅助的设备来扩展导航的覆盖范围，包括D-GPS、RTK-GPS和A-GPS等。D-GPS和RTK-GPS都利用系统外部的参考点来增强GPS的定位精度，系统复杂造价昂贵，但是并不能解决传统GPS扩大定位覆盖范围的问题。A-GPS利用手机电话网络的辅助和高度特制的GPS硬件，可以在一定程度上扩展其定位范围，但是它的覆盖范围依然有限，即使能够覆盖室内的部分区域，也只能获得大大降低的定位精度，大概在30米左右。

全新的步行导航仪完全克服了传统导航技术以及以上两类改进技术所不能解决的难题，在保持较高定位精度的条件下将定位的覆盖范围扩展到所有步行所及的地方，见图2步行导航仪适用范围图。它使用全新的脚载惯性导航设备，配备以可选择添加的造价低廉的GPS和无线电测距设备，可以在室内甚至地下室等传统定位手段不能工作的环境中，稳定的高精度的工作。系统应用请见图3步行导航仪在单兵定位中的应用实例图。

发明内容

本发明要解决的问题是为步行者提供一种在任何步行可及的范围内(包括室内等GPS不适用的环境)都能够使用的集定位、跟踪和导航为一体的电子设备。本发明具有技术理论先进、定位精确度高、适用范围广泛和操作简单等优点。

本发明由两部分构成，脚载惯性陀螺仪和移动处理设备。脚载惯性陀螺仪用以实现定位功能，移动处理设备用于控制惯性陀螺仪的操作和运行，处理惯性陀螺仪汇报的信息，计算和估计出目标行走的位置。

本发明采用的技术方案包括使用惯性陀螺仪角度误差估计算法和惯性陀螺仪零速度更新算法。前者提高了系统对人行走角度估计的精确度，后者提高了系统对人行走距离估计的精确度。二者综合使用，可以使得系统对人行走位置或坐标的估计更加精确。

●惯性陀螺仪角度误差估计算法

为了克服惯性陀螺仪测量角度精度下降快的缺点，本发明采用了角度误差估计算法。该算法有效辨别和纠正惯性陀螺仪角度的偏移误差，使它能在长时间操作中保持较高的精度。算法根据人类行走特点和建筑物形状特点，对惯性陀螺仪测量得到的角度信息进行修正和平滑，提高它的精确度。例如，如果估计到墙体是直角弯90度，而测量值是89度，那么就可以将89度修正为90度。

●惯性陀螺仪零速度更新算法