區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)及其定位方法
【專利摘要】本發(fā)明所設(shè)計的一種區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)及其定位方法，它包括組合導(dǎo)航計算機、微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)和軌跡發(fā)生器，其中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)和軌跡發(fā)生器的通信端分別與組合導(dǎo)航計算機的通信端連接。本發(fā)明中采用的微捷聯(lián)慣導(dǎo)和無線定位組合系統(tǒng)，能發(fā)揮各自系統(tǒng)的優(yōu)勢，彌補另一個系統(tǒng)的缺陷，提高了整體系統(tǒng)的區(qū)域定位精度和抗干擾能力。
【專利說明】區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航方法【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地指一種區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)及其定位方法。
技術(shù)背景
[0002]近年來，人們對室內(nèi)定位的需求日益增加。室內(nèi)定位對于公共生活顯得越來越重要，例如在超級商場，通過獲得消費者個人位置信息和目標商品位置信息，進行路線指引，實現(xiàn)智能導(dǎo)購；在突發(fā)災(zāi)難中，通過室內(nèi)定位，引導(dǎo)救援人員以最快速度解救大樓內(nèi)被困人員；在醫(yī)院里，病人的監(jiān)護以及醫(yī)療設(shè)備的管理等。實現(xiàn)低成本、高精度的室內(nèi)定位，具有非常重要的現(xiàn)實意義。
[0003]GPS (Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))系統(tǒng)具有較好的實時性,但10米的定位精度對于室內(nèi)較狹小的空間來講，無法將不同目標物區(qū)分開來，失去了定位的意義；此外，GPS信號無法穿越建筑體到達室內(nèi)或者到達室內(nèi)的信號已經(jīng)很弱。因此GPS無法用于室內(nèi)定位的研究，北斗及GL0NASS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)同樣存在以上問題。采用載波相位差分技術(shù)，精度可以到達厘米級，但實現(xiàn)載波相位差分需要在各移動物體和基站之間建立復(fù)雜數(shù)據(jù)鏈，整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度和功耗大小都不利于定位跟蹤。
[0004]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是二十世紀初才發(fā)展起來的一種導(dǎo)航方式。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不依賴于外部信息，也不向外輻射能量，定位結(jié)果較平滑，很少存在信號突變，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。但慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差隨時間積累，無法長時間單獨工作。為了減弱誤差積累的速度，需要選用高精度的慣性測量單元。高精度的IMU (Inertial measurement unit,慣性測量單元)體積和功耗都較大，且成本較高，無法在室內(nèi)定位中進行推廣。
[0005]無線定位技術(shù)用于室內(nèi)定位的主要有紅外線技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍牙技術(shù)、射頻識別技術(shù)和W1-Fi技術(shù)等。(I)紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是要求定位物體之間無遮擋，此外，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性；(2)超聲波定位的整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，但是也要求被測物體之間無遮擋，超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高；(3)藍牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小，但藍牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)單個單元作用距離短，穩(wěn)定性差，受噪聲信號干擾大。(4)射頻識別技術(shù)利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的，可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，成本也較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中；(5) W1-Fi技術(shù)廣泛應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低，但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，W1-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。
[0006]達時間差算法參考文獻:周文婷、朱巖，基于TDOA的無線定位系統(tǒng)的應(yīng)用與分析[J].計算機與現(xiàn)代化，2012 (3): 54-57。
[0007]四元數(shù)法參考文獻:秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社，2003:47-52。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的就是要提供一種區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)及其定位方法，它將微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(MINS)和無線定位系統(tǒng)(WPS)構(gòu)成組合定位系統(tǒng)，通過微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)抑制無線定位系統(tǒng)信號的跳變，使定位結(jié)果平滑、準確；同時，無線定位系統(tǒng)可以抑制微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差積累。
[0009]為實現(xiàn)此目的，本發(fā)明所設(shè)計的區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，其特征在于:它包括組合導(dǎo)航計算機、微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)和軌跡發(fā)生器，其中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)和軌跡發(fā)生器的通信端分別與組合導(dǎo)航計算機的通信端連接。
[0010]上述技術(shù)方案中，所述微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)和軌跡發(fā)生器分別通過I/O(input/output,輸入輸出端口)通信模塊與組合導(dǎo)航計算機連接。
[0011]一種利用上述區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，它包括如下步驟:
[0012]步驟1:在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)設(shè)定運動載體的初始位置信息和初始速度信息；
[0013]步驟2:通過軌跡發(fā)生器設(shè)定運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)，并在組合導(dǎo)航計算機中根據(jù)上述設(shè)定的運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)獲得運動載體在各個時刻的標稱加速度信息；然后在組合導(dǎo)航計算機根據(jù)上述運動載體的初始位置信息和初始速度信息以及運動載體在各個時刻的標稱加速度信息，通過積分計算得到運動載體各個時刻的標稱速度信息和標稱位置信息；
[0014]步驟3:在組合導(dǎo)航計算機中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)；同時在組合導(dǎo)航計算機中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得無線定位系統(tǒng)輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)；
[0015]步驟4:在運動載體沿標稱軌跡運動的過程中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機，無線定位系統(tǒng)輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機；在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)得到陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值和加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值，以及無線定位系統(tǒng)輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值；在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將無線定位系統(tǒng)輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)減去無線定位系統(tǒng)輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值得到無線定位系統(tǒng)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值；
[0016]步驟5:在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)將步驟3中得到的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)；
[0017]將步驟3中得到的加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)；
[0018]將步驟3中得到的無線定位系統(tǒng)輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的無線定位系統(tǒng)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)；
[0019]步驟6:在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的常規(guī)到達時間差算法計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)下的三維位置信息，然后通過對上述運動載體在無線定位系統(tǒng)下的三維位置信息進行微分計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)下的三維速度信息；
[0020]步驟7:在步驟6進行的同時，在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的四元數(shù)法完成姿態(tài)解算得到運動載體姿態(tài)變換矩陣和運動載體三個姿態(tài)角:俯仰角、橫滾角、航偏角；然后利用上述運動載體姿態(tài)變換矩陣將步驟5中得到的具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)進行坐標變換得到導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息，通過對導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的三維速度信息，然后通過對上述運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的三維速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的三維位置信息；
[0021]步驟8:在組合導(dǎo)航計算機內(nèi)將運動載體在無線定位系統(tǒng)下的三維速度信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的三維速度信息之差，以及運動載體在無線定位系統(tǒng)下的三維位置信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)下的三維位置信息之差作為觀測量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的量測方程；將微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)自帶的各個時刻三維姿態(tài)誤差值、各個時刻三維速度誤差值、各個時刻三維位置誤差值、各個時刻陀螺的常值漂移值、各個時刻陀螺的一階馬爾科夫誤差值、各個時刻加速度計的一階馬爾科夫誤差值作為狀態(tài)量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的狀態(tài)方程，將上述量測方程和狀態(tài)方程組合構(gòu)成卡爾曼濾波方程，通過卡爾曼濾波方程計算出微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的實際速度誤差和實際位置誤差，并對微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的運動載體速度信息和運動載體位置信息進行補償，將補償之后的運動載體速度信息和運動載體位置信息由組合導(dǎo)航計算機輸出，該輸出作為組合系統(tǒng)的定位結(jié)果。
[0022]所述測距數(shù)據(jù)為運動載體各個時刻與無線定位系統(tǒng)的基站的距離。
[0023]本發(fā)明的主要特點如下:
[0024]1、采用微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線定位系統(tǒng)的實物系統(tǒng)輸出誤差，具有真實誤差特性；
[0025]2、導(dǎo)航計算機使用軌跡發(fā)生器生成目標任意運動軌跡，實現(xiàn)微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)和無線定位系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位半實物仿真系統(tǒng)；
[0026]3、本發(fā)明能按預(yù)先設(shè)計的軌跡實現(xiàn)微捷聯(lián)慣導(dǎo)和無線定位組合系統(tǒng)的實時動態(tài)模擬，具有很強的通用性；
[0027]4、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單且成本較低；
[0028]5、微捷聯(lián)慣導(dǎo)和無線定位組合系統(tǒng)，能發(fā)揮各自系統(tǒng)的優(yōu)勢，無線定位系統(tǒng)良好的實時性可以抑制微捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差累積，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平滑性，可以抑制無線定位系統(tǒng)的信號跳變，彌補無線定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新率慢的不足。兩個子系統(tǒng)組合之后，提高了整體系統(tǒng)的區(qū)域定位精度和抗干擾能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)示意圖；[0030]圖2為本發(fā)明方法部分的流程圖。
[0031]其中，I一組合導(dǎo)航計算機、2—微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、3—無線定位系統(tǒng)、4一軌跡發(fā)生器、5 — I/O通信模塊。
【具體實施方式】
[0032]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
[0033]圖中I所示的區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，它包括組合導(dǎo)航計算機1、微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2、無線定位系統(tǒng)3和軌跡發(fā)生器4，其中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2、無線定位系統(tǒng)3和軌跡發(fā)生器4的通信端分別與組合導(dǎo)航計算機I的通信端連接。
[0034]上述技術(shù)方案中，所述微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2、無線定位系統(tǒng)3和軌跡發(fā)生器4分別通過I/O通信模塊5與組合導(dǎo)航計算機I連接。
[0035]一種利用上述區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，它包括如下步驟:
[0036]步驟1:在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)設(shè)定運動載體的初始位置信息和初始速度信息；
[0037]步驟2:通過軌跡發(fā)生器4設(shè)定運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)，并在組合導(dǎo)航計算機I中根據(jù)上述設(shè)定的運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)獲得運動載體在各個時刻的標稱加速度信息；然后在組合導(dǎo)航計算機I根據(jù)上述運動載體的初始位置信息和初始速度信息以及運動載體在各個時刻的標稱加速度信息，通過積分計算得到運動載體各個時刻的標稱速度信息和標稱位置信息；
[0038]步驟3:在組合導(dǎo)航計算機I中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)；同時在組合導(dǎo)航計算機I中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得無線定位系統(tǒng)3輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)；
[0039]步驟4:在運動載體沿標稱軌跡運動的過程中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機1，無線定位系統(tǒng)3輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機I ;在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)得到陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值和加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值，以及無線定位系統(tǒng)3輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值；在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將無線定位系統(tǒng)3輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)減去無線定位系統(tǒng)3輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值得到無線定位系統(tǒng)3各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值；
[0040]步驟5:在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)將步驟3中得到的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)；
[0041]將步驟3中得到的加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)；[0042]將步驟3中得到的無線定位系統(tǒng)3輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的無線定位系統(tǒng)3各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)3各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)；
[0043]步驟6:在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)3各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的常規(guī)到達時間差算法(TDOA，Time Differenceof Arrival)(上述到達時間差算法記載在如下參考文獻中:周文婷、朱巖，基于TDOA的無線定位系統(tǒng)的應(yīng)用與分析[J].計算機與現(xiàn)代化，2012 (3):54-57)計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)3下的三維位置信息，然后通過對上述運動載體在無線定位系統(tǒng)3下的三維位置信息進行微分計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)3下的三維速度信息；
[0044]步驟7:在步驟6進行的同時，在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的四元數(shù)法(上述四元數(shù)法記載在如下參考文獻中:秦永元.慣性導(dǎo)航[M].北京:科學(xué)出版社，2003:47-52)完成姿態(tài)解算得到運動載體姿態(tài)變換矩陣和運動載體三個姿態(tài)角:俯仰角、橫滾角、航偏角；然后利用上述運動載體姿態(tài)變換矩陣將步驟5中得到的具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)進行坐標變換得到導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息，通過對導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2下的三維速度信息，然后通過對上述運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2下的三維速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2下的三維位置信息；
[0045]步驟8:在組合導(dǎo)航計算機I內(nèi)將運動載體在無線定位系統(tǒng)3下的三維速度信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2下的三維速度信息之差，以及運動載體在無線定位系統(tǒng)3下的三維位置信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2下的三維位置信息之差作為觀測量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的量測方程；將微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2自帶的各個時刻三維姿態(tài)誤差值、各個時刻三維速度誤差值、各個時刻三維位置誤差值、各個時刻陀螺的常值漂移值、各個時刻陀螺的一階馬爾科夫誤差值、各個時刻加速度計的一階馬爾科夫誤差值作為狀態(tài)量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的狀態(tài)方程，將上述量測方程和狀態(tài)方程組合構(gòu)成卡爾曼濾波方程，通過卡爾曼濾波方程計算出微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2的實際速度誤差和實際位置誤差，并對微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2輸出的運動載體速度信息和運動載體位置信息進行補償，將補償之后的運動載體速度信息和運動載體位置信息由組合導(dǎo)航計算機I輸出，該輸出作為組合系統(tǒng)的定位結(jié)果O
[0046]上述技術(shù)方案中，所述測距數(shù)據(jù)為運動載體各個時刻與無線定位系統(tǒng)3的基站的距離。
[0047]上述步驟7后還包括對微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2和無線定位系統(tǒng)3的如下分析處理:1、當微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2和無線定位系統(tǒng)3都可以正常進行數(shù)據(jù)更新時，進入微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2與無線定位系統(tǒng)3的組合模式，即步驟8的相關(guān)操作；2、當只有一個子系統(tǒng)正常工作時(SP只有微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2或無線定位系統(tǒng)3正常工作)，選取正常工作的子系統(tǒng)作為輸出；3、當微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2和無線定位系統(tǒng)3都出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)停止工作。
[0048]上述具體分析處理邏輯為:
[0049](I)微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2正常，無線定位系統(tǒng)3正常:微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2和無線定位系統(tǒng)3按上述步驟8的方式組合導(dǎo)航；[0050](2)微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2正常，無線定位系統(tǒng)3故障:微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2單獨導(dǎo)航；
[0051](3)微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2故障，無線定位系統(tǒng)3正常:無線定位系統(tǒng)3單獨導(dǎo)航；
[0052](4)微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2故障，無線定位系統(tǒng)3故障:停止工作。
[0053]上述技術(shù)方案中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2由慣性測量單元(MU)陀螺和加速度計構(gòu)成敏感元件，用來感知載體的線運動和角運動。電源模塊為系統(tǒng)供電，溫度模塊對微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)2進行常值誤差補償。陀螺和加速度的輸出數(shù)據(jù)輸出到慣導(dǎo)計算機中，依據(jù)慣導(dǎo)結(jié)算方法，進行定位解算，解算完成后輸出載體的位置、速度、姿態(tài)信息，然后通過I/O通訊模塊，將解算結(jié)果輸出。
[0054]上述技術(shù)方案中，無線定位系統(tǒng)3通過基站觀測運動載體運動，具體如下:在特定區(qū)域(如超市、救援現(xiàn)場等)搭建多個無線定位系統(tǒng)3基站，然后對所需觀測的目標(即運動載體)加上無線定位系統(tǒng)3的電子標簽(無線電波收發(fā)器)，通過基站和標簽之間的收發(fā)信號時間差，進而得到二者之間的距離。該距離即為上述的標稱測距數(shù)據(jù)。
[0055]上述技術(shù)方法的步驟6中，到達時間差算法的基本思想是測量移動臺發(fā)射信號的到達不同基站的時間差。到達時間差算法的基本原理是利用雙曲線的特性——雙曲線上的點到兩焦點距離之差為定值。
[0056]說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，其特征在于:它包括組合導(dǎo)航計算機(I)、微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)、無線定位系統(tǒng)(3)和軌跡發(fā)生器(4)，其中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)、無線定位系統(tǒng)(3)和軌跡發(fā)生器(4)的通信端分別與組合導(dǎo)航計算機(I)的通信端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，其特征在于:所述微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)、無線定位系統(tǒng)(3)和軌跡發(fā)生器(4)分別通過I/O通信模塊(5)與組合導(dǎo)航計算機(I)連接。
3.一種利用權(quán)利要求1所述區(qū)域無線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，它包括如下步驟: 步驟1:在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)設(shè)定運動載體的初始位置信息和初始速度信息； 步驟2:通過軌跡發(fā)生器(4)設(shè)定運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)，并在組合導(dǎo)航計算機(I)中根據(jù)上述設(shè)定的運動載體的標稱軌跡數(shù)據(jù)獲得運動載體在各個時刻的標稱加速度信息；然后在組合導(dǎo)航計算機(I)根據(jù)上述運動載體的初始位置信息和初始速度信息以及運動載體在各個時刻的標稱加速度信息，通過積分計算得到運動載體各個時刻的標稱速度信息和標稱位置信息； 步驟3:在組合導(dǎo)航計算機(I)中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)；同時在組合導(dǎo)航計算機(I)中根據(jù)步驟2中獲得的運動載體各個時刻的標稱速度信息和各個時刻的標稱位置信息采用現(xiàn)有的常規(guī)逆推方式獲得無線定位系統(tǒng)(3)輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)； 步驟4:在運動載體沿標稱軌跡運動`的過程中，微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)和加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機(1)，無線定位系統(tǒng)(3)輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)發(fā)送給組合導(dǎo)航計算機(I);在組合導(dǎo)航計算機(O內(nèi)得到陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值和加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值，以及無線定位系統(tǒng)(3)輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值；在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)將陀螺儀各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去陀螺儀實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將加速度計各個時刻的實際輸出數(shù)據(jù)減去加速度計的實際輸出數(shù)據(jù)的平均值得到加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值，將無線定位系統(tǒng)(3)輸出的各個時刻的實際測距數(shù)據(jù)減去無線定位系統(tǒng)(3)輸出的實際測距數(shù)據(jù)的平均值得到無線定位系統(tǒng)(3)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值； 步驟5:在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)將步驟3中得到的陀螺儀各個時刻標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)； 將步驟3中得到的加速度計各個時刻的標稱輸出數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)； 將步驟3中得到的無線定位系統(tǒng)(3)輸出的各個時刻的標稱測距數(shù)據(jù)加上步驟4中得到的無線定位系統(tǒng)(3)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)的誤差值得到具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)(3)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)； 步驟6:在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的無線定位系統(tǒng)(3)各個時刻輸出的測距數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的常規(guī)到達時間差算法計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)(3)下的三維位置信息，然后通過對上述運動載體在無線定位系統(tǒng)(3)下的三維位置信息進行微分計算得到運動載體在無線定位系統(tǒng)(3)下的三維速度信息； 步驟7:在步驟6進行的同時，在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)將步驟5中得到的具有真實誤差特性的陀螺儀各個時刻輸出數(shù)據(jù)通過現(xiàn)有的四元數(shù)法完成姿態(tài)解算得到運動載體姿態(tài)變換矩陣和運動載體三個姿態(tài)角:俯仰角、橫滾角、航偏角；然后利用上述運動載體姿態(tài)變換矩陣將步驟5中得到的具有真實誤差特性的加速度計各個時刻輸出數(shù)據(jù)進行坐標變換得到導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息，通過對導(dǎo)航系下的運動載體加速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)下的三維速度信息，然后通過對上述運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)下的三維速度信息進行積分得到運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)下的三維位置信息； 步驟8:在組合導(dǎo)航計算機(I)內(nèi)將運動載體在無線定位系統(tǒng)(3)下的三維速度信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)下的三維速度信息之差，以及運動載體在無線定位系統(tǒng)(3)下的三維位置信息與運動載體在微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)下的三維位置信息之差作為觀測量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的量測方程；將微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)自帶的各個時刻三維姿態(tài)誤差值、各個時刻三維速度誤差值、各個時刻三維位置誤差值、各個時刻陀螺的常值漂移值、各個時刻陀螺的一階馬爾科夫誤差值、各個時刻加速度計的一階馬爾科夫誤差值作為狀態(tài)量，構(gòu)建卡爾曼濾波方程的狀態(tài)方程，將上述量測方程和狀態(tài)方程組合構(gòu)成卡爾曼濾波方程，通過卡爾曼濾波方程計算出微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)的實際速度誤差和實際位置誤差，并對微捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(2)輸出的運動載體速度信息和運動載體位置信息進行補償，將補償之后的運動載體速度信息和運動載體位置信息由組合導(dǎo)航計算機(I)輸出，該輸出作為組合系統(tǒng)的定位結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的區(qū)域無 線定位及微捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)，其特征在于:所述測距數(shù)據(jù)為運動載體各個時刻與無線定位系統(tǒng)(3)的基站的距離。
【文檔編號】G01C21/00GK103776442SQ201410022394
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】傅軍, 朱濤, 張亞寧 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)