[发明专利]基于车辆运动模型的组合导航装置、算法及方法

说明书

本发明公开了一种基于车辆运动模型的组合导航装置、算法和方法，其装置包括传感器信息读取模块、传感器信息的预处理模块、车辆模型运动预测模块、惯性导航定位模块、GPS卫星导航定位模块、组合导航定位模块、陀螺仪、GPS和编码器；所述陀螺仪、GPS和编码器采集的车辆速度、位置、航向信息通过传感器信息读取模块输入传感器信息的预处理模块进行预处理，然后送入所述组合导航定位进行数据的整合和融合，再通过所述惯性导航定位模块和GPS卫星导航定位模块对车辆进行导航定位，最后通过车辆模型运动控制模块对车辆的导航定位进行反馈和修正，最终实现对车辆运动的控制进而实现对车辆的导航控制。

技术领域

本发明属于无人车导航技术，具体涉及一种基于车辆运动模型的组合导航装置、算法及方法。

背景技术

由于二战时期导弹制导的需要，德国研制出了基于惯性器件的V2火箭，惯性导航从此诞生，这也标志着现代导航技术的开始。导航技术是一门多学科综合交叉的领域，在军用领域(如：飞行器控制，精确制导，单兵定位等) 和民用领域(如：汽车导航，地图测绘，船舶导航，资源勘探等)方面都有着广泛的应用。

随着科技的进步和发展，现代导航系统种类也越来越多，如：多普勒导航系统，惯性导航系统，Omega导航系统，罗兰导航系统，卫星导航系统。其中现在应用最为广泛的当属惯性导航系统和卫星导航系统。

组合导航是指利用两种或者两种以上的导航技术进行组合，组合后的导航系统称为组合导航系统。根据不同的需要和不同的组合导航方式，对不同的导航系统进行组合。目前的组合导航方式主要有：惯性/卫星(INS/GNSS) 组合，惯性/天文(INS/CNS)，惯性/多普勒(INS/Doppler)，惯性/欧米茄 (INS/Omega)组合，惯性/侧向测距组合等方式。其中由于惯性导航系统(INS) 信号具有短时间定位精度高，但长时间误差累积造成定位发散，系统稳定性较差的特点；而卫星导航系统(GNSS)信号具有定位精度相对较差，系统稳定性好的特点。由于惯性/卫星导航系统的信号有着很好的互补优势，所以惯性/卫星导航定位系统是最为常用的组合导航方式。

近年来，卫星导航技术已广泛应用于民用领域，市面上的车载，船载，机载卫星导航定位系统已层出不穷。市面上的民用卫星导航定位已被GPS所垄断，为了打破GPS的垄断地位，我国也已于2000年开始构建自己的北斗卫星导航定位试验系统。经过十多年的研究和发展，我国已经建立起由14颗北斗2号卫星组成具有自主知识产权的北斗卫星定位系统。随着近年来我国对北斗定位系统的大力发展，围绕与北斗卫星导航定位系统相关的各种拓展应用也迅速蓬勃发展。而随着导航定位系统的广泛应用，人们对定位精度的要求越来越高，如何提高定位精度也是人们不断研究的问题。通过组合导航可以有效地提高导航的定位精度，所以GPS/INS组合导航算法也是一直以来人们研究的重点，相信组合导航算法的不断研究和成熟，会使导航定位有着更加广泛的应用前景。

透过组合导航技术发展的历程可以看到，早期的组合导航系统是以惯性导航系统为基础的工作方式，其工作方式从最初的重调方式，到后来运用经典的控制理论。直到20世纪60年代以后现代控制理论的出现，运用最优控制理论和卡尔曼滤波算法的设计，成为组合导航系统的核心工作方式。

基于卡尔曼滤波算法的组合导航系统是将各个传感器提供的导航信息输入卡尔曼滤波器中，并应用卡尔曼滤波算法对信息进行融合处理，从而估计出惯性导航系统的误差，再利用反馈输出对惯性导航系统进行修正，使得惯性导航系统的误差最小，通常将基于卡尔曼滤波算法的组合导航系统称为最优组合导航系统。

国外主要采用的GPS/INS的组合导航方式主要有以下几种：(1)松组合方法；(2)紧组合方法；(3)超紧密组合方法；(4)标量GPS修正方法；(5) 双跟踪闭环方法。