组合导航方法、系统及组合导航设备

摘要

本发明涉及一种组合导航方法、系统及组合导航设备，其中方法包括如下步骤：在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号；根据所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围；若是，开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。通过上述技术方案，能够使得上述组合导航在需要开启全球定位系统的时候开启全球定位系统进行定位，不需要开启全球定位系统的时候及时关闭全球定位系统使用惯性导航系统进行定位，根据实际需要开启或关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低组合导航定位系统耗电量，从而达到提高载体设备的续航能力的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及导航技术领域，特别是涉及一种组合导航方法、组合导航系统及组合导航设备。

背景技术

在现有的定位技术中，全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)定位能够实现高精度定位，然而不能提供运动载体的姿态信息，且数据更新率低，易受环境干扰。惯性定位导航系统(Inertial Navigation System，简称INS)根据载体自身运动信息进行定位而不用依赖外部信息，然而存在随着时间推移定位误差增大的缺点，因此有人提出将两者结合起来，也就是组合导航。

传统的组合导航系统，将全球定位系统与惯性导航系统结合，通过卡尔曼滤波计算组合，解决惯性导航定位误差随时间延续不断增大以及全球定位系统导航数据更新率低易受环境干扰的问题，实现高精度导航的目的。

上述组合导航方式，往往需要在导航过程中开启惯性定位导航系统的同时长期开启全球定位系统，而由于全球定位系统耗电量巨大，导致对载体设备的电量消耗巨大，降低了载体设备的续航能力。

发明内容

基于此，有必要针对当前组合导航耗电量大的问题，提供一种组合导航方法和组合导航系统。

一种组合导航方法，包括如下步骤：

在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号；

根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围；

若是，则开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

一种组合导航系统，包括：

信号获取模块，用于在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号；

阈值判断模块，用于根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围；

位置校准模块，用于若所述载体运动的方向偏转角度偏离预设的方向偏离角度阈值范围，则开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

上述组合导航方法和系统，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号，根据所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围，当载体运动的方向偏转角度偏离预设的方向偏离角度阈值范围时，开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。通过上述技术方案，在惯性导航系统定位过程中，能够根据需要开启/关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低组合导航定位系统耗电量，从而达到提高载体设备的续航能力的效果。

另外，还提供一种组合导航设备。

一种组合导航设备，包括控制器、惯性导航系统以及全球定位系统；所述控制器分别控制所述惯性导航系统和全球定位系统进行导航；

所述控制器配置为执行前述任意一项所述的组合导航方法。

上述组合导航设备，在惯性导航系统定位过程中，所述全球定位系统可根据需求开启或关闭，保证对载体运动定位准确性的同时降低组合导航定位系统耗电量，从而达到提高载体设备的续航能力的效果。

附图说明

图1为组合导航方法流程图；

图2为一个实施例的组合导航方法流程图；

图3为一个实施例的方向偏离角度阈值设定流程图；

图4为一个实施例的信号去噪流程图；

图5为组合导航系统结构示意图；

图6为一个实施例的组合导航设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的组合导航方法和系统的具体实施方式作详细的描述。

参考图1，图1为组合导航方法流程图，所述组合导航方法包括如下步骤：

S101，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号。

在上述步骤中，所述载体开启惯性导航系统进行定位，在惯性导航系统定位的过程中，通过惯性导航系统实时获取载体的运动状态信号。

在一个可选的实施例中，所述运动状态信号可以包括载体的速度、加速度、姿态和/或方向信号中的至少一种。

在上述实施例中，所述惯性导航实时获取的载体的运动状态信号可以包括速度、加速度、姿态和/或方向信号中的至少一种，通过这些运动状态信号，后续步骤可以根据当前载体的运动状态决定是否开启全球定位系统对当前定位进行校准。

S102，根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围。

在上述步骤中，所述的预设的方向偏离角度阈值是指载体运动过程中方向偏转的角度的上限值，该方向偏离角度阈值的大小可以根据实际情况比如当前载体的运动信号反映的载体当前的运动状态进行设置。

另外，根据惯性导航实时获取的载体的运动状态信号判断当前载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围，根据该判断决定是否执行步骤S103。

S103，若偏离方向偏离角度阈值范围，则开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

在上述步骤中，当判断所述载体运动的方向偏转角度偏离预设的方向偏离角度阈值范围时，说明此时载体运动方向偏转角度较大，当前载体运动状态不稳定，使用惯性导航系统的导航误差较大，则开启全球定位系统对载体位置进行精确定位，对当前载体位置进行校准，完成校准后关闭全球定位系统，基于校准后的载体位置继续使用惯性导航系统进行定位。

进一步的，若未偏离方向偏离角度阈值范围，则可以返回步骤S101，继续开启惯性导航进行定位，并实时获取载体的运动状态信号。上述组合导航方法，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号，根据所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围，当载体运动的方向偏转角度偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围时，开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

通过上述技术方案，能够使得上述组合导航在需要开启全球定位系统的时候开启全球定位系统进行定位，不需要开启全球定位系统的时候及时关闭全球定位系统使用惯性导航系统进行定位，根据实际需要开启或关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低定位系统耗电量，还可以提高组合导航定位系统的使用寿命等。

参考图2，图2为一个实施例的组合导航方法流程图，所述组合导航方法包括如下步骤：

S202，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号。

在上述步骤中，所述载体开启惯性导航系统进行定位，在惯性导航系统定位的过程中，通过惯性导航系统实时获取载体的运动状态信号。

在一个可选的实施例中，所述运动状态信号可以包括载体的速度、加速度、姿态和/或方向信号中的至少一种。

在上述实施例中，所述惯性导航实时获取的载体的运动状态信号可以包括速度、加速度、姿态和/或方向信号中的至少一种，通过这些运动状态信号，后续步骤可以根据当前载体的运动状态决定是否开启全球定位系统对当前定位进行校准。

在一个可选的实施例中，在所述在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号的步骤之前，还包括步骤：

S201，在开始导航时，同时开启惯性导航系统和全球定位系统进行定位；并在定位到载体当前的位置信息后，关闭所述全球定位系统。

在上述实施例中，在组合导航开始导航时，开启惯性导航系统进行定位，同时开启全球定位系统进行定位；并在全球定位系统定位到载体当前的位置信息后，关闭所述全球定位系统。由于全球定位系统能够获得比惯性导航更精准的定位，所以在组合导航开始定位的初始阶段，可以通过开启全球定位系统对当前位置进行精确定位获取当前位置，在全球定位系统定位到载体当前的位置信息后，关闭所述全球定位系统，基于该精确定位的位置信息，运用惯性导航系统进行定位。

上述技术方案，运用全球定位系统进行初始定位，可以提高组合导航系统定位的准确性。

应该说明的是，上述步骤S201是可选择执行的步骤，在某些实施例中，可以选择不执行。

S205，根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围。

在上述步骤中，所述的预设的方向偏离角度阈值是指载体运动过程中方向偏转的角度的上限值，该方向偏离角度阈值的大小可以根据实际情况比如当前载体的运动信号反映的载体当前的运动状态进行设置。

其中，根据惯性导航实时获取的载体的运动状态信号判断当前载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围，根据该判断决定是否执行步骤S206。

在一个可选的实施例中，在所述根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否在所述方向偏离角度阈值范围的步骤之前，还可以包括：

S203，获取所述运动状态信号的信号噪声，根据所述信号噪声设定载体运动的方向偏离角度阈值。

在上述实施例中，所述信号噪声是惯性导航系统中的陀螺仪、加速度计在采集信号的过程中必然会存在的信号噪声，而这些信号噪声是随机的，可能由物体的运动状态变化和/或传感器漂移引起。所述预设的方向偏离角度阈值是根据运动状态信号的信号噪声设置的，可以根据当前运动状态信号的信号噪声的大小设置不同的方向偏离角度阈值，使得偏离角度值的设置更灵活，与当前载体的运动状态相匹配，能够有效提高该方向偏离角度阈值起到的判断作用的精准度，更精确地确定开启全球定位系统的时机，进一步提高组合导航系统导航的准确性。

应该说明的是，上述步骤S203是可选择执行的步骤，在某些实施例中，可以选择不执行。

参考图3，图3为一个实施例的方向偏离角度阈值设定流程图，在一个可选的实施例中，所述获取所述运动状态信号的信号噪声，根据所述信号噪声设定所述载体运动的方向偏离角度阈值的步骤包括：

S2031，对运动状态信号进行小波分解，获取各层的小波信号估算信号噪声；

具体的，所述对运动状态信号进行小波分解的步骤对应的小波分解层数的计算公式可以如下：

N＝[log₂n]

上式中，N为小波分解层数，n为运动状态信号的长度。

S2032，当信号噪声未超出设定的噪声阈值时，则设置载体运动方向偏离角度阈值为第一方向偏离角度阈值；

S2033，当信号噪声超出设定的噪声阈值时，则设置载体运动方向偏离角度阈值为第二方向偏离角度阈值，其中，第二方向偏离角度阈值小于第一方向偏离角度阈值。

上述实施例，对获取的运动状态信号进行小波分解，得到小波分解层数以及各层的小波信号，通过所述各层的小波信号估算信号噪声，当信号噪声处于正常范围内，未超出设定的噪声阈值时，则将载体运动方向偏离角度阈值设置为正常的第一方向偏离角度阈值，当信号噪声过大，超出设定的噪声阈值时，表明环境因素对惯性导航的精度有较大的影响，则设置一个较小的方向偏离角度阈值，即将载体运动方向偏离角度阈值设置为第二方向偏离角度阈值，其中，第二方向偏离角度阈值小于第一方向偏离角度阈值，从而能够在噪声过大时通过使用较小的方向偏离角度阈值范围对当前物体方向偏离进行更严格的限制，以保证组合导航系统的导航精确度。

在一个可选的实施例中，在所述根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否在所述方向偏离角度阈值范围的步骤之前，还包括步骤：

S204，获取所述运动状态信号的信号噪声，根据所述信号噪声，对运动状态信号进行去噪。

在上述实施例中，在进行方向偏离角度阈值判断之前，对运动状态信号进进行小波分解，得到小波分解层数以及各层的小波信号，通过所述各层的小波信号估算信号噪声，根据估算的信号噪声，对运动状态信号进行去噪。通过上述对运动状态信号去噪的步骤，能够有效去除运动状态信号中由于惯性导航系统中的陀螺仪、加速度计在采集信号的过程中，可能由物体的运动状态变化和/或传感器漂移产生的信号噪声，使得去噪后的运动状态信号更精确的反映当前载体的运动状态，从而使得后续在执行根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否在所述方向偏离角度阈值范围的步骤时获得更精确的判断结果，更精确地确定开启全球定位系统的时机，进一步提高组合导航系统导航的准确性。

应该说明的是，上述步骤S204是可选择执行的步骤，在某些实施例中，可以选择不执行。

参考图4，图4为一个实施例的信号去噪流程图，在一个可选的实施例中，所述获取所述运动状态信号的信号噪声，根据所述信号噪声，对运动状态信号进行去噪的步骤包括：

S2041，对运动状态信号进行小波分解，获取小波分解层数以及各层的小波信号；

具体的，所述对运动状态信号进行小波分解的步骤对应的小波分解层数的计算公式如下：

N＝[log₂n]

上式中，N为小波分解层数，n为运动状态信号的长度。

S2042，根据第一层到第N层的小波信号估算噪声标准方差，根据噪声标准方差得到阈值，其中所述阈值的计算公式如下：

上式中，N为小波分解层数，λ为阈值，δ_n为噪声标准方差；

S2043，将每一层小波信号超出阈值之外的部分置零；

S2044，对第一层到第N层的小波信号进行小波重构，得到去噪后的运动状态信号。

上述实施例，通过对运动状态信号进行小波分解得的小波信号计算信号噪声的噪声标准方差，根据噪声标准方差得到阈值，每层小波信号超出所述阈值的部分为信号噪声部分，将每一层小波信号超出阈值之外的部分置零，以去除所述运动状态信号的噪声，之后再对第一层到第N层的小波信号进行小波重构，得到去噪后的运动状态信号。通过上述对运动状态信号去噪的步骤，能够有效去除运动状态信号中由于惯性导航系统中的陀螺仪、加速度计在采集信号的过程中，可能由物体的运动状态变化和/或传感器漂移产生的信号噪声，使得去噪后的运动状态信号更精确的反映当前载体的运动状态，从而使得后续在执行根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否在所述方向偏离角度阈值范围的步骤时获得更精确的判断结果，更精确地确定开启全球定位系统的时机，进一步提高组合导航系统导航的准确性。

S206，若偏离预设的方向偏离角度阈值范围，则开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

在上述步骤中，当判断所述载体运动的方向偏转角度偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围时，此时载体运动方向偏转角度较大，说明当前载体运动状态不稳定，使用惯性导航系统的导航误差较大，则开启全球定位系统对载体位置进行精确定位，对当前载体位置进行校准，完成校准后关闭全球定位系统，基于校准后的载体位置继续使用惯性导航系统进行定位。

进一步的，若未偏离方向偏离角度阈值范围，则可以返回步骤S202，继续开启惯性导航进行定位，并实时获取载体的运动状态信号。

上述组合导航方法，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号，根据所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围，当载体运动的方向偏转角度偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围时，开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

通过上述技术方案，能够使得上述组合导航在需要开启全球定位系统的时候开启全球定位系统进行定位，不需要开启全球定位系统的时候及时关闭全球定位系统使用惯性导航系统进行定位，根据实际需要开启或关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低定位系统耗电量，提高组合导航定位系统的使用寿命。

参考图5，图5为组合导航系统结构示意图，所述组合导航系统包括：

信号获取模块，用于在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号；

阈值判断模块，用于根据预设的方向偏离角度阈值以及所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围；

位置校准模块，用于若所述载体运动的方向偏转角度偏离预设的方向偏离角度阈值范围，则开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

上述组合导航系统，在惯性导航系统定位过程中，获取载体的运动状态信号，根据所述运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围，当载体运动的方向偏转角度偏离预设的所述方向偏离角度阈值范围时，开启全球定位系统定位，对当前位置进行校准，并在校准后关闭该全球定位系统。

通过上述技术方案，能够使得上述组合导航在需要开启全球定位系统的时候开启全球定位系统进行定位，不需要开启全球定位系统的时候及时关闭全球定位系统使用惯性导航系统进行定位，根据实际需要开启或关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低定位系统耗电量，提高组合导航定位系统的使用寿命。

本发明的组合导航系统与本发明的组合导航方法一一对应，在上述组合导航方法的实施例阐述的技术特征及其有益效果均适用于组合导航系统的实施例中，特此声明。

参考图6，图6为一个实施例的组合导航设备结构示意图，所述组合导航设备包括控制器、惯性导航系统以及全球定位系统；所述控制器分别控制所述惯性导航系统和全球定位系统进行导航；

所述控制器配置为执行前述任意一项所述的组合导航方法的步骤。

上述组合导航设备，惯性导航系统对载体进行定位，实时获取载体的运动状态信号，并将载体的运动状态信号发送给控制器，控制器根据接收的运动状态信号判断所述载体运动的方向偏转角度是否偏离预设的方向偏离角度阈值范围，当载体运动的方向偏转角度偏离预设的方向偏离角度阈值范围时，控制器发送开启指令给全球定位系统，全球定位系统接收开启指令开启全球定位系统进行定位，将定位的校准位置信息发送给控制器，并在定位后关闭全球定位系统，控制器接收校准位置信息对当前载体的位置信息进行校准，将校准位置信息发送给惯性导航系统，惯性导航系统接收校准位置信息，基于校准后的位置继续对载体进行定位。

通过上述技术方案，能够使得上述组合导航设备在需要开启全球定位系统的时候开启全球定位系统进行定位，不需要开启全球定位系统的时候及时关闭全球定位系统使用惯性导航系统进行定位，根据实际需要开启或关闭全球定位系统，保证对载体运动定位准确性的同时降低定位系统耗电量，提高组合导航设备的使用寿命。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。