采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法

摘要

本发明涉及导航定位技术领域，且公开了一种采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法，包括摄像头，所述摄像头双向电连接有中央处理器，所述中央处理器双向电连接有北斗导航系统，所述中央处理器双向电连接有激光雷达，所述中央处理器双向电连接有地磁陀螺仪，所述中央处理器的输出端电连接有传输模块。本发明通过北斗实时动态差分定位、BDS载波相位动态差分定位和地磁陀螺仪进行航位推算起到多种方式得出导航定位数据的作用，通过分析导航定位数据误差然后进行修正达到提升导航定位精度的效果，通过空间数据对定位结果进行检索、分析和识别达到进一步进行数据验证的作用，从而极大程度降低误差保证导航定位精度的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法。

背景技术

北斗导航卫星系统(BDS)是我国具有独立自主产权、自主研发的卫星导航定位系统，北斗区域系统空间星座由5颗地球同步轨道(GEO) 卫星、5颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、4颗中高度轨道(MEO)卫星组成，北斗系统提供的标准服务定位精度为10m，测速精度为0.2m/s，授时精度为20ns，通过高精度基线解算得到BDS高精度定位结果是提高北斗系统标准定位精度的重要手段之一。

但是现有的导航定位系统只具有自身的计算方式进行导航定位，不能通过多种计算方式得出不同结果后对误差进行修正，进而导致影响了正常的导航定位精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，如：现有的导航定位系统只具有自身的计算方式进行导航定位，不能通过多种计算方式得出不同结果后对误差进行修正，进而导致影响了正常的导航定位精度，而提出的一种采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法，包括摄像头，所述摄像头双向电连接有中央处理器，所述中央处理器双向电连接有北斗导航系统，所述中央处理器双向电连接有激光雷达，所述中央处理器双向电连接有地磁陀螺仪，所述中央处理器的输出端电连接有传输模块，所述传输模块与北斗导航系统双向电连接，所述传输模块双向电连接有存储模块，所述存储模块与中央处理器的输出端电连接，所述中央处理器的输出端电连接有BDS系统；

包括以下步骤：

S1、通过北斗实时动态差分定位；

S2、通过BDS载波相位动态差分定位；

S3、通过对BDS载波相位整周模糊度进行解算；

S4、基于地磁陀螺仪进行航位推算；

S5、空间数据对定位结果进行检索、分析和识别；

S6、通过对不同定位方式的误差修正得出最终定位。

优选的，所述中央处理器内部设置有对比模块和分析模块。

优选的，所述摄像头、激光雷达和地磁陀螺仪的背面连接有安装块。

优选的，所述激光雷达采用的型号为SLAM型。

优选的，所述安装块的底部设置有对称的两个支撑块，所述支撑块的下表面设置有稳定吸盘。

优选的，所述安装块的左右两侧均开设有安装槽，两侧所述安装槽相互靠近一侧的内表面上均通过两个复位弹簧固定连接有结合板，所述结合板远离复位弹簧的一侧固定连接有施力把手。

优选的，两个所述安装槽相互靠近一侧的内表面上均设置有位于两个复位弹簧之间的导向管，两个所述结合板相互靠近的一侧均通过导向杆插接在导向管的内表面上。

优选的，所述施力把手正面的形状为弧形且弧度在一百五十度至一百八十度之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过北斗实时动态差分定位、BDS载波相位动态差分定位和地磁陀螺仪进行航位推算起到多种方式得出导航定位数据的作用，通过分析导航定位数据误差然后进行修正达到提升导航定位精度的效果，通过空间数据对定位结果进行检索、分析和识别达到进一步进行数据验证的作用，从而极大程度降低误差保证导航定位精度的效果。

(2)本发明通过安装槽起到对施力把手进行存放的作用，通过施力把手起到便于使用人员对整体进行携带和移动的作用，通过安装槽起到避免不移动时施力结构占用正常的使用空间，从而达到提升空间利用率的效果。

附图说明

图1为本发明的整体系统结构示意图；

图2为本发明的中央处理器结构示意图；

图3为本发明的实物结构示意图；

图4为本发明测站BDS动态定位结果差值示意图；

图5为本发明中广域差分定位算法流程示意图。

图中：1、摄像头；2、安装块；3、激光雷达；4、地磁陀螺仪； 5、支撑块；6、安装槽；7、复位弹簧；8、结合板；9、施力把手； 10、导向管；11、导向杆。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-5，一种采用北斗导航定位和SLAM定位技术的导航定位方法，包括摄像头1，所述摄像头1双向电连接有中央处理器，所述中央处理器内部设置有对比模块和分析模块，所述中央处理器双向电连接有北斗导航系统，所述中央处理器双向电连接有激光雷达3，所述激光雷达3采用的型号为SLAM型，所述中央处理器双向电连接有地磁陀螺仪4，所述摄像头1、激光雷达3和地磁陀螺仪4的背面连接有安装块2，所述安装块2的底部设置有对称的两个支撑块5，所述支撑块5的下表面设置有稳定吸盘，所述中央处理器的输出端电连接有传输模块，所述传输模块与北斗导航系统双向电连接，所述传输模块双向电连接有存储模块，所述存储模块与中央处理器的输出端电连接，所述中央处理器的输出端电连接有BDS系统，所述安装块2 的左右两侧均开设有安装槽6，两侧所述安装槽6相互靠近一侧的内表面上均通过两个复位弹簧7固定连接有结合板8，所述结合板8远离复位弹簧7的一侧固定连接有施力把手9，两个所述安装槽6相互靠近一侧的内表面上均设置有位于两个复位弹簧7之间的导向管10，两个所述结合板8相互靠近的一侧均通过导向杆11插接在导向管10 的内表面上，所述施力把手9正面的形状为弧形且弧度在一百五十度至一百八十度之间；

包括以下步骤：

S1、通过北斗实时动态差分定位，北斗系统高精度动态定位的关键是观测值的误差消除和载波相位整周模糊度的确定问题，只有载波相位整周模糊度的准确确定才能实现高精度的定位结果。在GPS动态差分定位中普遍采用双差差分组合的方法，双差组合观测值能消除卫星钟差、接收机钟差的影响，以及削弱其他观测误差的影响，保证载波相位观测值模糊度的整数特性，BDS系统与GPS系统定位原理相同，并具有非常相似的信号结构和频率，GPS系统的观测模型和卫星轨道模型进行改变可用于BDS定位算法的研究，因此，参考与GPS系统相似的观测模型和动态差分定位解算模型，处理BDS的实时载波相位观测数据，可实现BDS的载波相位整周模糊度动态解算和高精度动态差分定位。

S2、通过BDS载波相位动态差分定位，使用BDS的双频观测数据实现载波相位整周模糊度动态解算和测站高精度动态差分定位，B1、 B2载波相位观测值的非差观测方程为：

λ

λ

其中，Φ为载波相位观测值；o为卫星轨道误差；I是电离层延迟误差；T是对流层延迟误差；m为多路径效应误差；ε

因为双差组合观测值具有可消除接收机钟差和卫星钟差，大大削弱卫星星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差等误差影响的优点，所以采用双差组合观测值进行BDS载波相位整周模糊度的动态解算和测站动态差分定位。设有两个北斗系统观测站A、B，其中以A 为参考站，则北斗系统B1、B2频率载波相位观测值的双差观测方程为：

其中，

S3、通过对BDS载波相位整周模糊度进行解算，将BDS的B1、 B2双差载波相位观测值组成宽巷载波相位观测值，由于B1、B2载波相位宽巷模糊度的波长较长，约为0.8469m，其模糊度确定相对容易，可以先固定双差宽巷整周模糊度，然后解算载波相位观测值的整周模糊度。BDS双差宽巷载波相位观测方程为：

其中，

其中，

可利用多历元观测数据按照动态定位方式求解以上方程组，得到双差宽巷载波相位整周模糊度的浮点解及方差协方差矩阵，使用协方差搜索方法进行宽巷整周模糊度搜索，通过对次优和最优宽巷模糊度组合进行Ratio检验，当Ratio值大于某一阈值时，即可动态确定宽巷整周模糊度，宽巷载波相位观测值的整周模糊度确定之后，可用于双差B1载波相位观测值整周模糊度的解算，由双差宽巷载波相位观测值及确定的双差宽巷整周模糊度和双差B1载波相位观测值可得观测方程组：

其中ΔH为测站坐标改正量的系数矩阵，

S4、基于地磁陀螺仪进行航位推算，地磁陀螺仪有三种传感器：陀螺仪、加速器和罗盘(地磁传感器)，陀螺仪提供围绕各轴的旋转角速度，通过角速率积分计算，我们可以得到旋转角度，如果我们知道初始航向，通过角度就始终能够得到航向姿态，积分将累积陀螺仪的不稳定零偏，这将导致角度误差，此外来自陀螺仪的高斯分布噪声将积分成一个布朗运动过程，并导致随机游走误差，因此，我们很难长时间使用陀螺仪，陀螺仪需要定期校准，加速度计提供每个轴方向的移动加速度，在静态状态下，我们可以得到每个轴与重力加速度之间的角度，由于重力加速度在方向和值上恒定不变，我们可以获得相对于重力方向的航向姿态，然而该方法使用重力加速度作为参考，因此不能解出围绕重力加速度旋转的角度，罗盘提供从地磁场投影的每个轴的值，我们可以从每个轴与恒为常数向量的地磁场方向之间的关系推导出角度值，如前一节所述，由于对外部磁场的抗扰性较差，罗盘需要一个低干扰的环境，我们可以看到，很难靠一个传感器来找到姿态，我们需要组合使用两个或三个传感器并把信息融合起来，为此需要用加速度计、陀螺仪和地磁罗盘查找姿态，这种融合也被称为磁、角速率和重力(MARG)系统。

在导航中，航位推算是计算当前位置的过程，先使用先前确定的位置，然后在解算周期中基于已知或估计的速度或加速度更新该位置，这里将使用地磁陀螺仪里的加速度计，基于上一节解出的姿态，我们可以得到捷联系统的移动方向，然后需要计算该方向上的距离，最后确定位置。

捷联航位推算需要使用基于加速度测量的比力方程来跟踪INS 的位置，比力方程可以简单描述为以下计算式：

v

s

用第一个等式可以得到从IMU体坐标系到地球坐标系的加速度映射，如格式

第二个等式将加速度积分或累加为速度，然而由于测量的加速度包含了重力分量，所以需要减去重力。

与第二个等式类似，第三个等式将速度积分成距离。

S5、空间数据对定位结果进行检索、分析和识别，空间信息是人类对现实世界认识的重要组成部分，对于地球表面具有空间分布位置差异的空间实体所产生的空间信息，历来就和人类对客观世界的认识和改造息息相关，地图既是人类空间认知的结果，又是人类空间认知的工具，如果说地图是地理学的第二代语言，那么GIS就是地理学的第三代语言，GIS的出现，对地图在空间信息表达和传输方面不可替代的地位产生了很大程度的冲击，GIS庞大的数据容量、多尺度和多类型数据集成及灵活多样的可视化机制形成了相对于传统地图的优势地位，同时GIS也承担和发展了传统地图的空间认知功能。

随着信息技术的不断进步，GIS逐渐从一种理解地理信息的工具发展成为传递地理信息的媒介，GIServiee的目标是为公众提供与地理位置相关的服务，即建立一个让用户和地理信息更为协作的环境，让不同受教育水平与文化背景的用户都能够方便地参与信息交流，并通过相应的空间理解和认知获得知识，辅助行为和决策。

S6、通过对不同定位方式的误差修正得出最终定位，基于北斗的实时动态差分定位采用广域差分定位技术，其基本思想是对GNSS定位中的与卫星有关的误差、与接收机有关的误差和与信号传播过程中产生的误差等主要误差源加以细分，并分别加以“模型化”，计算每一类误差修正值，然后通过数据通讯链路传输给用户，对用户GNSS 接收机的观测值误差加以改正，以削弱这些误差源的影响，达到提高用户定位精度的目的，典型的广域差分定位技术如实时动态码相位差分，目前正广泛应用于千寻位置网络有限公司等商业公司推出的亚米级高精度定位服务中，依托密集分布于全国的地基增强基准站，综合利用各种定位技术，提供互联网形式的差分位置数据播发平台，首先获取用户接收机终端的RMC概略位置，通过RTCM协议播发相应的差分改正信息给终端，由终端接收机进行差分校正，进而获得亚米级的定位结果。本研究提出的广域亚米级定位算法不同于传统的RTD定位，原理为基于单频GNSS接收机提供的卫星原始观测数据，通过通讯链路获得IGS播发的卫星精密轨道和钟差改正数据求得卫星精确位置，结合电离层格网改正模型及其他误差改正模型，利用载波平滑后的伪距定位模型，由终端嵌入式软件或APP软件的算法程序进行定位解算得到用户精确位置。以单频接收机的成本，提供介于伪距单点定位的米级和精密差分单点定位的厘米级之间的亚米级的定位精度，不存在收敛时间，满足用户实时连续亚米级的定位需求。经过大量试验数据统计分析表明，本算法在实时静态环境下，全天候任意时段内均可实现平面方向优于0.8m、高程方向优于2m的定位精度。

本算法部分流程示意图如图5所示。相比于常见的RTD和RTK 定位技术，本算法具有如下创新点和优势：

(1)系统建设成本低，无需大规模建设基准站，全国范围内建设数十个基准站的情况下，就可以满足全国范围内的亚米级定位应用需求。

(2)采用载波平滑伪距的定位模型，对网络播发的精密轨道和钟差改正信息在参考时间上不需要严格的时间同步，无收敛时间。

(3)基于实时的精密轨道和钟差改正数据，满足亚米级定位的同时，还可以同步实现用户测站的精准测速。

(4)因为电离层误差无法利用差分源进行消除，所以同样利用播发的精准电离层格网改正数据来消除电离层误差，提高定位精度。

(5)本算法同时综合利用了对流层延迟改正模型、卫星和接收机天线相位中心改正模型、相对论效应、地球固体潮改正模型、海洋负荷潮改正模型、极潮改正模型等策略对误差源进行建模和消除，以消除各种误差影响，提高定位精度。

本发明中，使用者使用该装置时，通过北斗实时动态差分定位、 BDS载波相位动态差分定位和地磁陀螺仪4进行航位推算起到多种方式得出导航定位数据的作用，通过分析导航定位数据误差然后进行修正达到提升导航定位精度的效果，通过空间数据对定位结果进行检索、分析和识别达到进一步进行数据验证的作用，从而极大程度降低误差保证导航定位精度的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。