一种多模融合导航定位监测方法及装置

1.本发明涉及智能导航技术领域，特别是涉及一种多模融合导航定位监测方法及装置。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，人们对于导航定位监测的需求不断地提升。卫星导航定位(gnss)可以满足绝大部分使用场景，提供很高精度的定位服务，但对于弱gnss信号环境下导航定位监测过程中存在着gnss可见卫星数少、难以定位的问题；惯性导航系统(ins)，以下简称惯导，其结构简单、可实现自主导航，但其误差会随时间发散，无法长时间定位。轮速编码器(wo)是获取车轮速度的重要传感器，结合运动模型能够计算速度和里程信息，但是功能有限。
3.惯导/gnss组合导航系统是最常用的组合导航系统之一，能够提供位置、速度和姿态信息，被广泛应用于实时导航领域，但在惯导精度较差或初始对准精度较低的前提下，惯导误差累积会导致导航精度较差，数据精度过度依赖gnss。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种多模融合导航定位监测方法及装置，能够实现多场景下的定位监测，并提高导航定位精度。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种多模融合导航定位监测方法，所述方法应用于卫星导航系统；所述卫星导航系统包括：惯性导航系统、轮速编码器和卫星导航定位系统；所述惯性导航系统、所述轮速编码器和所述卫星导航定位系统均设置在载体上；
7.所述方法包括：
8.获取当前时刻的定位信息集；所述定位信息集包括：惯性导航系统测量的定位信息、轮速编码器测定的定位信息和卫星导航定位系统观测的定位信息；所述定位信息包括：载体的姿态、载体的速度和载体的位置；
9.根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息；
10.基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态；
11.若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果；
12.根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。
13.可选地，所述方法还包括：
14.根据载体上的通信系统中当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态；
15.基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；所述通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式；
16.根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。
17.可选地，根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息，具体包括：
18.采用惯导更新模型，对当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行更新，得到下一时刻的惯性导航系统的定位信息；所述惯导更新模型是采用sins数值更新算法构建的数学模型；
19.根据当前时刻的轮速编码器测定的定位信息和载体航迹模型，确定下一时刻的轮速编码器测定的定位信息；所述载体航迹模型是载体根据设定半径进行圆周运动的物理仿真模型；
20.根据下一时刻的惯性导航系统的定位信息和下一时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的定位误差；
21.根据下一时刻的定位误差对下一时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行修正，得到下一时刻的惯性导航系统修正的定位信息；
22.将下一时刻的惯性导航系统更新的定位信息确定为下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息。
23.可选地，基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态，具体包括：
24.将当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比和载噪比阈值，进行比较；所述载噪比阈值包括：第一载噪比阈值和第二载噪比阈值；所述第一载噪比阈值小于所述第二载噪比阈值；
25.若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比小于所述第一载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为无效状态；
26.若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于所述第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为有效状态；
27.若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于等于所述第一载噪比阈值且小于等于所述第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号状态和上一时刻的gnss信号状态相同；初始时刻的gnss信号状态为有效状态。
28.可选地，所述第一载噪比阈值为20db
·
hz；所述第二载噪比阈值为28db
·
hz。
29.一种多模融合导航定位监测装置，所述装置采用上述所述的方法，所述装置包括：轮式监测模块、车内监测模块和处理器；
30.所述轮式监测模块、所述车内监测模块和所述处理器均设置在载体上；所述轮式监测模块设置在所述载体的车轮上；所述车内监测模块设置在所述载体的车内；
31.其中，所述轮式监测模块包括：轮速编码器模块和微处理器模块；所述车内监测模块包括gnss模组和惯导模组；
32.所述轮速编码器模块和所述微处理器模块连接；所述微处理器模块、所述gnss模
组和所述惯导模组均与所述处理器连接；
33.所述轮速编码器模块用于获取载体在当前时刻的轮速，并根据当前时刻的轮速确定当前时刻的运行信息；所述轮速包括：左轮轮速和右轮轮速；所述运行信息包括：线速度、航向角和角速度；
34.所述微处理器模块用于根据当前时刻的运行信息确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息；
35.所述gnss模组用于基于卫星导航定位系统，确定当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息；
36.所述惯导模组用于基于惯性导航系统，确定当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息；
37.所述处理器，用于：
38.根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息；
39.基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态；
40.若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果；
41.根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。
42.可选地，所述装置还包括：通信模块；所述通信模块与所述处理器连接；
43.所述处理器还用于根据通信模块在当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态，并基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；所述通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式；
44.所述通信模块用于根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。
45.可选地，所述微处理器模块具体包括：
46.计算子模块，用于根据当前时刻的运行信息计算当前时刻的运行半径，并根据当前时刻的运行半径确定当前时刻的轴心行驶距离；
47.位移确定子模块，用于根据当前时刻的轴心行驶距离和当前时刻的角速度确定当前时刻的位移；所述位移包括：横向位移和纵向位移；
48.定位信息确定子模块，用于根据当前时刻的运行信息和当前时刻的位移确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息。
49.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
50.本发明提供了一种多模融合导航定位监测方法及装置，通过根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息；基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果；根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息；本发明将轮速编码器、惯性导航系统和卫星导航
定位系统结合，实现多场景下的定位监测；又由于基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式进行误差估计，并进行修正，避免误差累计导致的导航精度差的问题的发生，提高了导航定位精度。
附图说明
51.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
52.图1为本发明实施例提供的多模融合导航定位监测方法的流程图；
53.图2为本发明实施例提供的在实际应用中的多模融合导航定位监测方法流程图；
54.图3为本发明实施例提供的gnss信号强度判别策略示意图；
55.图4为本发明实施例提供的轮速编码器航位推算流程图；
56.图5为本发明实施例提供的惯导数值更新算法框图；
57.图6为本发明实施例提供的拓展卡尔曼滤波流程框图；
58.图7为本发明实施例提供的移动信号强度判别策略示意图；
59.图8为本发明实施例提供的多模融合导航定位装置的结构框图。
具体实施方式
60.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
61.本发明的目的是提供一种多模融合导航定位监测方法及装置，能够实现多场景下的定位监测，并提高导航定位精度。
62.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
63.实施例1
64.本发明实施例提供了一种多模融合导航定位监测方法，该方法应用于卫星导航系统；卫星导航系统包括：惯性导航系统、轮速编码器和卫星导航定位系统；惯性导航系统、轮速编码器和卫星导航定位系统均设置在载体上。
65.如图1所示，该方法包括：
66.步骤100：获取当前时刻的定位信息集；所述定位信息集包括：惯性导航系统测量的定位信息、轮速编码器测定的定位信息和卫星导航定位系统观测的定位信息；定位信息包括：载体的姿态、载体的速度和载体的位置。
67.步骤200：根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息。
68.其中，根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息，具体包括：
69.采用惯导更新模型，对当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行更新，得到下一时刻的惯性导航系统的定位信息；惯导更新模型是采用sins数值更新算法构建的数学模型。
70.具体地，惯导更新模型为：
[0071][0072]
其中，c为载体姿态矩阵，v为载体速度矩阵，p为载体位置矩阵，为速度快变部分，为速度慢变部分，m
pv
表示由p推导至v的系数矩阵；右上角标n表示导航坐标系(n系，东-北-天)、b表示载体坐标系(b系)，右下角标m表示m时刻，m-1表示m-1时刻。
[0073]
sins数值更新算法可分为姿态、速度和位置更新三部分，以上一时刻的姿态、速度、位置以及陀螺角增量和加计速度增量作为输入，解算得到下一时刻姿态、速度和位置信息。关于惯导的sins数值更新算法参见图5。
[0074]
惯导更新模型中，载体姿态更新过程具体如下：
[0075][0076]
其中，m
rv
表示方向余弦阵c关于等效旋转矢量φ的函数，δθ为角增量；表示m时刻由i系(地心惯性坐标系)到b系的等效旋转矢量；表示m时刻由i系(地心惯性坐标系)到n系的等效旋转矢量；tm表示由m-1时刻至m时刻的采样间隔；表示由i系到n系的陀螺角速度；右下角标m1和m2代表双子样算法的m次抽样中的两个时刻。
[0077][0078]
其中，i表示单位矩阵，φ表示陀螺仪旋转角度；φ
×
表示等效旋转矢量φ的反对称阵。
[0079]
惯导更新模型中，载体速度更新过程具体如下：
[0080]
[0081][0082]
快变部分指导航系比例速度增量。
[0083]
其中，比力增量为：
[0084][0085]
旋转效应补偿量为：
[0086][0087]
划桨效应补偿量为：
[0088][0089]
导航系旋转修正量为：
[0090][0091][0092]
t
m-1/2
＝(t
m-1
+tm)/2
[0093]
慢变部分指有害加速度的速度增量。ω为载体的角速度矩阵，t
m-1/2
表示m-1时刻与m时刻的区间中点时刻，tm表示由m-1时刻至m时刻的采样间隔。
[0094]
惯导更新模型中，载体位置更新过程具体如下：
[0095][0096]
l为纬度、λ为经度、h为海拔高度，m
pv
表示由p推导至v的系数矩阵，r
nh
为地球的子午圈主曲率半径，r
mh
为地球的卯酉圈主曲率半径。
[0097]
根据当前时刻的轮速编码器测定的定位信息和载体航迹模型，确定下一时刻的轮速编码器测定的定位信息；载体航迹模型是载体根据设定半径进行圆周运动的物理仿真模型。
[0098]
其中，设载体在单位时间内做固定半径的圆周运动，载体航迹模型p
′
为：
[0099][0100]
其中，x和y分别为横向位移和纵向位移；θ为载体航向角；左右轮位移量分别为δs
l
和δsr；l为两轮轴距。
[0101]
图4为轮速编码器航位推算流程图。具体地，关于轮速编码器，其获取载体的轮速，并根据轮速确定运行信息；轮速包括：左轮轮速和右轮轮速；运行信息包括：线速度、航向角和角速度。公式如下：
[0102][0103]
其中，v为线速度；vr和v
l
分别为右轮轮速和左轮轮速；d为载体的左右轮路程差；l为两轮轴距；θ为载体的航向角。
[0104]
载体航迹模型p
′
的推演过程如下：
[0105]
对时间求导，可得到载体绕圆心运动的角速度ω和载体圆周运动的半径r，公式如下：
[0106][0107]
其中，δt为时间间隔。
[0108]
载体轴心行驶距离可近似为两轮位移量的均值，即:
[0109]
[0110][0111]
其中，δs
l
为左轮位移量；δsr为右轮位移量；l为两轮轴距；r为载体圆周运动的半径；α为载体圆周运动的弧度；δθ为载体的航向角的变化量；δs为载体轴心行驶距离。
[0112]
根据下一时刻的惯性导航系统的定位信息和下一时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的定位误差。
[0113]
根据下一时刻的定位误差对下一时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行修正，得到下一时刻的惯性导航系统修正的定位信息。
[0114]
具体地，选取惯导和轮速编码器的姿态和位置误差，即选取惯性导航系统测量的定位信息和轮速编码器测定的定位信息的定位误差作为所述惯导轮速编码器组合导航系统的观测量，实现基于轮速编码器测定的速度、位姿信息对惯导测定的速度、位姿信息进行修正。由观测量组成的量测向量的模型为：
[0115][0116]
其中，z为量测向量；v
ins
为惯导测定的速度；v
wo
为轮速编码器测定的速度；p
ins
为惯导测定的位姿信息；p
wo
为轮速编码器测定的位姿信息；δzv为惯导与轮速编码器之间的速度量测误差；δz
p
为惯导与轮速编码器之间的位姿信息量测误差。位姿信息包括姿态和位置。
[0117]
将下一时刻的惯性导航系统更新的定位信息确定为下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息。
[0118]
步骤300：基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态。
[0119]
其中，基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态，具体包括：
[0120]
将当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比和载噪比阈值，进行比较；载噪比阈值包括：第一载噪比阈值和第二载噪比阈值；第一载噪比阈值小于第二载噪比阈值。
[0121]
若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比小于第一载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为无效状态。
[0122]
若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为有效状态。
[0123]
若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于等于第一载噪比阈值且小于等于第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号状态和上一时刻的gnss信号状态相同；初始时刻的gnss信号状态为有效状态。
[0124]
具体地，第一载噪比阈值为20db
·
hz；第二载噪比阈值为28db
·
hz。
[0125]
图3为gnss信号强度判别策略示意图。在实际应用中，获取并解析所述gnss导航电文，依据gnss信号载躁比c/n0来判断gnss当前运行状态与信号强度。在载躁比c/n0低于第一载噪比阈值β1时，载体处于gnss信号无效状态；为避免信号频繁在有效与无效状态之间切换，设置第二载噪比阈值β2略大于第一载噪比阈值β1，载躁比c/n0大于第二载噪比阈值β2时，载体出于gnss信号有效状态；若β1≤c/n0≤β2，则载体维持原状态，其初状态设为gnss信号有效状态。
[0126]
若是，则：
[0127]
步骤400：根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果。
[0128]
在实际应用中，首先确定惯导轮速编码器组合对定位信息的测定频率；基于测定频率将误差估计结果等比例分成目标数量份，目标数量与测定频率的数值相同；然后基于误差估计结果及测定频率对惯导轮速编码器组合在gnss的误差估计频率内测定的定位信息进行修正。关于拓展卡尔曼滤波的操作流程见图6。
[0129]
具体地，建立的紧组合导航线性拓展卡尔曼滤波模型如下：
[0130][0131]
其中，x为状态向量，z为量测向量，f为状态一步转移矩阵，h为量测矩阵，g是均值为0方差阵q的系统噪声向量，wb是惯导量测噪声向量，v是gnss接收机量测噪声向量；右上角b表示载体坐标系。为转移后的状态向量。
[0132]
选取17维状态向量如下：
[0133][0134]
其中，φ为惯导失准角，δvn为速度误差，δp为位置误差，εb为陀螺常值漂移，b▽
t
为加速度计常值漂移，δbr为时钟偏差的白噪声标准差，δdr为时钟漂移的白噪声标准差，n表示东-北-天地理导航坐标系。t为转置矩阵。
[0135]
选取所述惯导轮速编码器组合对于伪距及伪距速率的估计值与gnss的伪距及伪距速率测量值之差为量测向量，即：
[0136][0137]
其中，ρ为伪距，为伪距速率，右下角ins/wo表示惯导轮速编码器组合，gnss表示导航卫星系统。
[0138]
应用时可以结合拓展卡尔曼滤波模型及拓展卡尔曼滤波方程实现对所述惯导的定位信息进行误差估计。
[0139]
根据所述拓展卡尔曼滤波模型建立拓展卡尔曼滤波方程，具体为：
[0140][0141]
式中：
[0142][0143]
此外：
[0144][0145]
其中，为姿态转移矩阵，h
ρ
为伪距测量误差方程系数矩阵；右下标k，k-1分别表示当前滤波周期和上一滤波周期，k/k-1表示由上一周期一步转移到当前周期，a表示姿态，v表示速度，p表示位置。
[0146]
形成的滤波方程具体包括：
[0147]
状态一步预测：
[0148][0149]
状态一步预测均方误差：
[0150][0151]
滤波增益：
[0152][0153]
状态估计：
[0154][0155]
状态估计均方误差：
[0156]
pk＝(i-k
khk
)p
k/k-1
；
[0157]
关于拓展卡尔曼方程均为现有技术中成熟方程，可以直接应用，此处不再赘述。
[0158]
在上述过程中，在通过紧组合方式实现基于gnss对惯导轮速编码器组合确定的定位信息进行误差估计前，需要确定gnss当前的运行状态，反馈的参数信息等是否准确，具有高真实性和可参考性，只有在gnss有效的状态下由gnss进行误差估计，得到的误差估计结果才能够被用于进行定位信息修正。应用时，载体可以根据gnss的反馈信息进行相应判断，
或者直接基于gnss的反馈信息获知其当前状态是否正常。
[0159]
步骤500：根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。
[0160]
对于移动网络未实现全覆盖的无移动通信信号环境，如偏远山区、荒漠、海洋等，单靠移动网络无法保障通信需求。目前除普通移动通信外，常见通信方式有卫星通信和北斗短报文等。北斗短报文是北斗导航定位系统附带的特色功能，指接收终端与监控总站间通过卫星信号以短报文形式进行双向信息传递的功能。但由于北斗短报文是通过卫星传输信息的天基通信方式，在终端面临gnss信号较弱的环境，gnss定位不可用的情况下，同样难以满足定位信息回传需求。
[0161]
因此，本发明提供的多模融合导航定位监测方法还包括：
[0162]
根据载体上的通信系统中当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态。移动通信信号为4g移动信号。
[0163]
基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；所述通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式。
[0164]
根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。
[0165]
图7为移动信号强度判别策略。在实际应用中，可以选择通过4g模块发送at指令，获取当前4g的接收信号强度指示(rssi)数据值，在强度指示值p小于第一设定阈值γ1时，即p＜γ1时，载体处于移动信号无效状态。
[0166]
为避免信号频繁在有效与无效状态之间切换，设置第一设定阈值γ2略大于第一设定阈值γ1，当p＞γ2时，载体处于移动信号有效状态。若γ1＜p＜γ2，则载体维持原状态，其初状态设为移动信号有效状态。
[0167]
在一种实施例中，第一设定阈值γ1为-100dbm，第二设定阈值γ2为-95dbm。
[0168]
如图2所示，在实际应用中，本发明实施例提供的多模融合导航定位监测方法的操作过程还可以如下：
[0169]
首先判断gnss信号是否有效，如果gnss信号有效，则基于gnss对惯导轮速编码器组合确定的定位信息进行误差估计；然后基于误差估计结果对惯导轮速编码器组合在gnss的误差估计频率内测定的定位信息进行修正。
[0170]
如果gnss信号无效，则基于惯导轮速编码器组合测定载体在导航坐标系中的定位信息。
[0171]
然后再判断移动通信信号是否有效；若是，则通过移动通信向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测；若否，则通过北斗短报文向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测。
[0172]
实施例2
[0173]
如图8所示，本发明实施例提供了一种多模融合导航定位监测装置，该装置采用实施例1中的方法，该装置包括：轮式监测模块、车内监测模块和处理器。
[0174]
轮式监测模块、车内监测模块和处理器均设置在载体上；轮式监测模块设置在载体的车轮上；车内监测模块设置在载体的车内。
[0175]
其中，轮式监测模块包括：轮速编码器模块和微处理器模块；车内监测模块包括gnss模组和惯导模组。
[0176]
轮速编码器模块和微处理器模块连接；微处理器模块、gnss模组和惯导模组均与处理器连接。
[0177]
轮速编码器模块用于获取载体在当前时刻的轮速，并根据当前时刻的轮速确定当前时刻的运行信息；轮速包括：左轮轮速和右轮轮速；运行信息包括：线速度、航向角和角速度。
[0178]
微处理器模块用于根据当前时刻的运行信息确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息。
[0179]
其中，微处理器模块具体包括：计算子模块、位移确定子模块和定位信息确定子模块。
[0180]
计算子模块，用于根据当前时刻的运行信息计算当前时刻的运行半径，并根据当前时刻的运行半径确定当前时刻的轴心行驶距离。
[0181]
位移确定子模块，用于根据当前时刻的轴心行驶距离和当前时刻的角速度确定当前时刻的位移；所述位移包括：横向位移和纵向位移。
[0182]
定位信息确定子模块，用于根据当前时刻的运行信息和当前时刻的位移确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息。
[0183]
gnss模组用于基于卫星导航定位系统，确定当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息。
[0184]
惯导模组用于基于惯性导航系统，确定当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息。
[0185]
处理器用于根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息。
[0186]
处理器用于基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态；若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果。
[0187]
处理器还用于根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。
[0188]
在一种实施例中，该装置还包括：通信模块；通信模块与处理器连接。
[0189]
处理器还用于根据通信模块在当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态，并基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式。
[0190]
通信模块用于根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。
[0191]
在实际应用中，轮式监测模块用于基于轮速编码器测定载体的速度、位姿信息，并将该测得信息发送至处理器。
[0192]
车内监测模块用于基于惯导测定载体的速度、位姿信息，基于gnss测定载体的原始观测定位信息，将惯导和gnss测得信息发送至处理器。
[0193]
处理器用于基于惯导轮速编码器组合测定载体在导航坐标系中的定位信息，然后通过紧组合方式，基于gnss对惯导轮速编码器确定的定位信息进行误差估计，基于误差估计结果对惯导轮速编码器在gnss的误差估计频率内测定的定位信息进行修正。
[0194]
通信模块用于确定在移动通信信号有效的状态下，通过移动通信信号向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测；通信模块在移动通信信号无效的状态下，通过北斗短报文向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测。
[0195]
具体地，轮式监测模块，包括轮速编码器模块、微处理器模块、电源模块和zigbee通信模块。车内监测模块包括gnss定位模块和惯导模块。处理器包括处理器模块和zigbee通信模块。通信节点包括4g模块和北斗短报文模块。
[0196]
作为一可选实施例，移动通信信号有效的状态下，通过移动通信向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测。
[0197]
作为一可选实施例，移动通信信号无效的状态下，通过北斗短报文向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测。
[0198]
进一步地，处理器可以是数字信号处理器(dsp)，还可以是其他通用处理器，包括现成可编程逻辑门阵列(fpga)、中央处理单元(cpu)或者其他可编程逻辑器件、分立门等硬件组件，也可以是微处理器或者任何常规处理器等。
[0199]
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：
[0200]
存储器，配置为存储一个或多个程序。
[0201]
当该一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得该一个或多个处理器实现实施例1中的多模融合导航定位监测方法。
[0202]
本发明实施例还提供一种存储介质，其上存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1中的多模融合定位监测方法。
[0203]
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品被有形的存储在计算机可读介质上，并且包括计算机可读指令，计算机可执行指令在被执行时使至少一个处理器执行实施例1中的多模融合导航定位监测方法。
[0204]
计算机存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读介质例如可以但不限于是电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘硬盘、随机访问存储介质(ram)、只读存储介质(rom)可擦式可编程只读存储介质(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储介质(cd-rom)、光存储介质件、磁存储介质件、或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号,其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式,包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输配置为由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、天线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0205]
本发明的有益效果：
[0206]
确定在gnss信号无效的状态下，基于惯导轮速编码器组合测定载体在导航坐标系中的定位信息以及确定在gnss信号有效的状态下，通过紧组合方式，实现由gnss对惯导轮
速编码器组合确定的定位信息进行误差估计的误差估计结果，对惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，而非通过松组合方式实现gnss与轮速编码器的组合导航，如此可通过轮速编码器辅助惯导进行定位，且通过紧组合方式提高组合导航的定位精度。
[0207]
确定在移动通信信号有效的状态下通过移动通信信号向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测以及确定在移动通信信号无效的状态下通过北斗短报文向上位机传输修正后的定位信息实现对载体的定位监测，如此可实现通过移动通信与北斗短报文双模通信保障移动信号或gnss信号缺失环境下对载体的定位监测。
[0208]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0209]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种多模融合导航定位监测方法，其特征在于，所述方法应用于卫星导航系统；所述卫星导航系统包括：惯性导航系统、轮速编码器和卫星导航定位系统；所述惯性导航系统、所述轮速编码器和所述卫星导航定位系统均设置在载体上；所述方法包括：获取当前时刻的定位信息集；所述定位信息集包括：惯性导航系统测量的定位信息、轮速编码器测定的定位信息和卫星导航定位系统观测的定位信息；所述定位信息包括：载体的姿态、载体的速度和载体的位置；根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息；基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态；若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果；根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。2.根据权利要求1所述的多模融合导航定位监测方法，其特征在于，所述方法还包括：根据载体上的通信系统中当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态；基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；所述通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式；根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。3.根据权利要求1所述的多模融合导航定位监测方法，其特征在于，根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息，具体包括：采用惯导更新模型，对当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行更新，得到下一时刻的惯性导航系统的定位信息；所述惯导更新模型是采用sins数值更新算法构建的数学模型；根据当前时刻的轮速编码器测定的定位信息和载体航迹模型，确定下一时刻的轮速编码器测定的定位信息；所述载体航迹模型是载体根据设定半径进行圆周运动的物理仿真模型；根据下一时刻的惯性导航系统的定位信息和下一时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的定位误差；根据下一时刻的定位误差对下一时刻的惯性导航系统测量的定位信息进行修正，得到下一时刻的惯性导航系统修正的定位信息；将下一时刻的惯性导航系统更新的定位信息确定为下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息。4.根据权利要求1所述的多模融合导航定位监测方法，其特征在于，基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态，具体包括：
将当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比和载噪比阈值，进行比较；所述载噪比阈值包括：第一载噪比阈值和第二载噪比阈值；所述第一载噪比阈值小于所述第二载噪比阈值；若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比小于所述第一载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为无效状态；若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于所述第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号为有效状态；若当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比大于等于所述第一载噪比阈值且小于等于所述第二载噪比阈值，则当前时刻的gnss信号状态和上一时刻的gnss信号状态相同；初始时刻的gnss信号状态为有效状态。5.根据权利要求4所述的多模融合导航定位监测方法，其特征在于，所述第一载噪比阈值为20db
·
hz；所述第二载噪比阈值为28db
·
hz。6.一种多模融合导航定位监测装置，其特征在于，所述装置采用权利要求1-5中任意一项所述的方法，所述装置包括：轮式监测模块、车内监测模块和处理器；所述轮式监测模块、所述车内监测模块和所述处理器均设置在载体上；所述轮式监测模块设置在所述载体的车轮上；所述车内监测模块设置在所述载体的车内；其中，所述轮式监测模块包括：轮速编码器模块和微处理器模块；所述车内监测模块包括gnss模组和惯导模组；所述轮速编码器模块和所述微处理器模块连接；所述微处理器模块、所述gnss模组和所述惯导模组均与所述处理器连接；所述轮速编码器模块用于获取载体在当前时刻的轮速，并根据当前时刻的轮速确定当前时刻的运行信息；所述轮速包括：左轮轮速和右轮轮速；所述运行信息包括：线速度、航向角和角速度；所述微处理器模块用于根据当前时刻的运行信息确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息；所述gnss模组用于基于卫星导航定位系统，确定当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息；所述惯导模组用于基于惯性导航系统，确定当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息；所述处理器，用于：根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息；基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的gnss信号是否为有效状态；若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果；根据下一时刻的误差估计结果和下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行修正，得到下一时刻的修正后的定位信息。
7.根据权利要求6所述的多模融合导航定位监测装置，其特征在于，所述装置还包括：通信模块；所述通信模块与所述处理器连接；所述处理器还用于根据通信模块在当前时刻的移动通信信号的强度指示值确定当前时刻的通信运行状态，并基于当前时刻的通信运行状态，确定当前时刻的通信方式；所述通信方式采用移动通信的方式或者北斗短报文的方式；所述通信模块用于根据当前时刻的通信方式传输下一时刻的修正后的定位信息。8.根据权利要求6所述的多模融合导航定位监测装置，其特征在于，所述微处理器模块具体包括：计算子模块，用于根据当前时刻的运行信息计算当前时刻的运行半径，并根据当前时刻的运行半径确定当前时刻的轴心行驶距离；位移确定子模块，用于根据当前时刻的轴心行驶距离和当前时刻的角速度确定当前时刻的位移；所述位移包括：横向位移和纵向位移；定位信息确定子模块，用于根据当前时刻的运行信息和当前时刻的位移确定当前时刻的轮速编码器测定的定位信息。

技术总结
本发明公开一种多模融合导航定位监测方法及装置，涉及智能导航技术领域；该方法包括：获取当前时刻的定位信息集；基于当前时刻的卫星导航定位系统的信号载噪比，判断当前时刻的GNSS信号是否为有效状态；若是，则根据当前时刻的卫星导航定位系统观测的定位信息，基于拓展卡尔曼滤波的方法并采用紧组合方式，对根据当前时刻的惯性导航系统测量的定位信息和当前时刻的轮速编码器测定的定位信息，确定的下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息进行误差估计，得到下一时刻的误差估计结果，并与下一时刻的惯导轮速编码器组合测定的定位信息得到下一时刻的修正后的定位信息；本发明能够实现多场景下的定位监测，并提高导航定位精度。位精度。位精度。


技术研发人员：姚金杰 邢昱翔 杨志良 孙兴丽 白建胜
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/7