CN107436145A - 基于poi交互的mems协同无缝车载定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，包含以下步骤：设计面向导航定位的POI结构；POI的提取与生成；构建基于POI的集成导航定位体系。本发明技术结合GIS中的地理热点基本功能与实现途径，提出了基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，以期克服MEMS传感器与GNSS集成中的误差积累与导航定位性能降低的困局，可有效提升障碍环境下的GNSS导航定位效率，以车辆导航终端为例进行技术研发，其线路可扩展至手机、PDA及各种智能终端与个人系统。
Description
技术领域
本发明涉及无缝导航定位领域，特别涉及基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法及系统。
背景技术
随着北斗导航定位的应用与行业及产业技术提升需求，前面建设无缝导航定位体系成为国家战略布局及高新信息技术发展需要，我国开展了“羲和”导航定位体系建设的重大科学工程，实现各种技术融合及协同的无缝导航定位是当前技术研发的重点与热点领域。
个人出行、车辆导航定位(包括各种重点车辆，如运钞车、危险品运输车、校车及安保车等)，及无人机导航定位等都对无缝定位提出了现实需求。
GNSS全球卫星定位系统自投入使用以来，以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大用户的信赖。随着卫星导航系统应用领域的不断扩大，很多国家正加紧开发研制独立自主的卫星导航系统。美国正在实施GPS现代化计划，俄罗斯加紧恢复与提升GLONASS全面性能，同时欧盟也在不断推进建设GALILEO系统，中国的北斗卫星导航系统正在按照预期进行前面建设等。目前BD/GPS/GLONASS的应用已经深入到众多领域，成为人们不可缺或的时空信息来源，在航海、航天、测量、运动载体监控、授时等诸多方面都得到了广泛的应用。
同时，GNSS在应用中表现出的非无缝性也暴露出其可靠性及可用性的副面问题，如在城市高楼大厦，森林密集区及高山峡谷区及地下空间等挑战环境下卫星信号被遮挡及干扰等，形成了卫星导航定位中的脆弱性，影响了导航定位的全面应用。多年来，为了克服这些障碍，人们倾向于利用辅助传感器，例如里程计，罗盘及惯导等与卫星定位结合，形成集成定位系统；在城市环境中，还可以利用高精度的导航地图，运用其中的一些图层信息，如方位，高程及地标点等，与定位模型结合，形成集成定位系统，得到障碍环境下的多种灵活定位解。
现有技术中，常见的有以下两种方式：
1、INS或MEMS与GNSS的集成导航定位模式
鉴于GNSS不是一个无缝的定位与导航系统，最为直接的补充方法是引入惯性定位系统(INS)与GNSS系统集成，惯导是一种利用安装在运载体上的陀螺仪和加速度计来测定运载体位置方法，从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置，所以是一种推算导航方式。惯性导航系统主要优点有：(1)它不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，因此是一种自主式系统，其隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；(2)可全天侯、全球、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下；(3)能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低；(4)数据更新率高、短期精度和稳定性好。其缺点是：(1)由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；(2)每次使用之前需要较长的初始化时间校准；(3)设备的价格依设备等级而异，中高端较昂贵；(4)不能给出时间信息。
因此，与INS形成多种不同组合模式的组合导航技术也随之相继涌现,优点与缺点并存,其中GPS/INS组合导航定位技术依靠明显的优势成为组合导航的主流技术,将二者高效、有效组合能够扩展各自优点、缩小或克服缺点,利用GPS提供的实时高精度导航定位信息来引导INS,实时修正随时间积累的误差,客服GPS接收机因失锁或建筑物遮挡而不能提供导航信息的困境；同时利用INS实时高精度的导航信息可以提升GPS的工作性能，使二者相益得彰。
由于MEMS的低成本与集成的便捷性，以及捷联惯性导航理论的发展和完善，近年广泛使用，被称为第三代惯性导航传感器材料，使得导航系统的微型化得以实现；加之高性能微控制器，例如以ARM公司的带DSP功能的Cortex M4系列微控制器，为现代导航系统的微型化、低功耗和高智能性提供了良好的处理器平台基础。必须指出，对于低成本的MEMS器件，其定位结果的漂移性也是明显的，例如手机中的低成本MEMS，几秒钟内即出现明显漂移，需要与其它条件(例如数字罗盘的方位信息)结合才能控制这种误差扩散。
2、航位推算法
航位推算法(Dead reckoning，缩写DR)是在当前时刻位置已知的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法。现代技术条件下，随着微机电系统技术的发展，加速度计、数字罗盘、陀螺仪尺寸、重量、成本都大大降低，使航位推算可以方便地在车辆与行人导航中得以应用。由于是低成本的传感器集成与组合，其定位系统也容易受到误差累积的影响，需要考虑结合容易获取的其它信息来控制系统误差的扩大与漂移。
因此有必要设计一种新的定位方法来解决上述现有技术中所存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法。
本发明的另一目的在于提供基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位系统。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，包含以下步骤：
(1)设计面向导航定位的POI结构：
POI结构包含的基本结构信息为名称、类别、位置、位置精度标示、临近POI、路段、粒度度量、识别特征；
(2)POI的提取与生成：
通过资源库支持，定位具体任务信息描述、数据库拓扑层或地图相关图层的相关位置信息，特征信息提取后，按照面向定位需求的POI基本结构构造与表示符号配置，形成了支持导航定位的扩展POI结果；
(3)构建基于POI的集成导航定位体系：
本框架确立GNSS/MEMS/POI的集成定位模式，定位根据卫星信号质量与惯导定位阀值为切入点，开发基于GNSS/MEMS/POI不同定位模式的低计算复杂度自适应智能切换模型，即分别针对开阔区到遮蔽区定位模式切换；定位需要充分考虑终端所面临的卫星信号及定位环境情况，正常情况下将以北斗/GPS定位模式输出的结果为基准；通过对定位场景的分析，卫星信号被干扰或遮挡时自动启用MEMS定位，并根据定位质量以及惯导误差累积阀值的综合评估，实现定位模式实现自适应切换与结果评估；
对MEMS惯导误差累积阀值进行评估，MEMS惯导误差累积阀值的评估可以保障其定位结果误差在允许范围内，当惯导误差累积阀值超过预设时间T，自动启用POI，利用POI的空间位置信息对MEMS进行周期性地校准，保障其误差累积不超过允许范围，并且采用使用扩展卡尔曼滤波模型，从而使得GNSS/MEMS/POI集成定位模式的性态达到最优组合。
步骤(2)中，所述POI点，其分布形态的提取方法及途径与道路网结构，基础设施及规划信息密切相关，其数据来源包括城市及道路网数据库、与定位关联的导航地图，根据这些宏观信息，能够得到区域内的实际POI点的多种分布模式，从而为POI的基本结构模型奠定基础。
所述分布模式包括随机型、稀疏型、区域密集型、线状密集型，
步骤(3)中，所述遮蔽区包括如隧道，城市、峡谷。
步骤(3)中，所述预设时间为50秒或80秒。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位系统，包括集成定位与分析模块，还包括分别与集成定位与分析模块相连接的GNSS模块、MEMS模块、POI集成模块、输出与存储模块，其中所述GNSS模块通过GNSS天线收发信号，所述MEMS模块通过WiFi天线或Internet收发信号，所述POI集成模块通过GSM/CDMA/GPRS收发信号。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明结合GIS中的地理热点(POI)基本功能与实现途径，提出了基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，以期克服MEMS传感器与GNSS集成中的误差积累与导航定位性能降低的困局，可有效提升障碍环境(指信号被阻挡或被干扰失效等)下的GNSS导航定位效率，以车辆导航终端为例进行技术研发，其线路可扩展至手机、PDA及各种智能终端与个人系统。
2、本发明技术方案利用了近年来专家学者普遍重视的地理特征点(POI)信息，并结合定位模型进行集成定位研究，形成特色性的解决方案。
附图说明
图1为面向导航定位的POI提取与生成的流程图。
图2为GNSS/MEMS/POI集成定位的流程图。
图3为本发明所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，包含以下步骤：
(1)面向导航定位的POI结构设计
单一地理学，或GIS领域的POI，其包含的基本结构信息为名称、类别、经度纬度、临近区域的其它兴趣点，如酒店饭店商铺等信息，无法直接用于导航定位，针对这种情况必须扩充POI的内涵，使其可以承载用户的需求搜索、属性查看、空间位置调用、路线查询等功能,因此POI数据的空间位置精度、属性的丰富程度及表达的清晰程度直接影响着移动定位的质量与可用性，本框架中的POI基本结构如表1：
表1：面向导航定位的POI结构
(2)POI的提取与生成
如图1，POI点分布形态的提取方法及途径与道路网结构，基础设施及规划信息密切相关，最直接的数据来源包括城市及道路网数据库，以及与定位关联的导航地图，根据这些宏观信息，可以得到区域内的实际POI点的多种分布模式，如随机型，稀疏型，区域密集型，线状密集型等，从而为POI的基本结构模型奠定基础。
如图1，POI的提取与生成，通过资源库支持，定位具体任务信息描述，数据库拓扑层，或地图相关图层的相关位置信息，特征信息等提取后，按照面向定位需求的POI基本结构构造与表示符号配置，形成了支持导航定位的扩展POI结果。
(3)基于POI的集成导航定位体系构建
如图2，本框架确立GNSS/MEMS/POI的集成定位模式，定位根据卫星信号质量与惯导定位阀值为切入点，开发基于GNSS/MEMS/POI不同定位模式的低计算复杂度自适应智能切换模型，即分别针对开阔区到遮蔽区(如隧道，城市峡谷等区域)定位模式切换；定位需要充分考虑终端所面临的卫星信号及定位环境情况，正常情况下将以北斗/GPS定位模式输出的结果为基准；通过对定位场景的分析，卫星信号被干扰或遮挡时自动启用MEMS定位，并根据定位质量以及惯导误差累积阀值的综合评估，实现定位模式实现自适应切换与结果评估。MEMS惯导误差累积阀值的评估可以保障其定位结果误差在允许范围内，当惯导误差累积阀值超过一定的时间，如为50秒或80秒时，系统自动启用POI，利用POI的空间位置信息对MEMS进行周期性地校准，保障其误差累积不超过概定范围，并且采用使用扩展卡尔曼滤波模型，从而使得GNSS/MEMS/POI集成定位模式的性态达到最优组合。
如图3，基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位系统，包括集成定位与分析模块，还包括分别与集成定位与分析模块相连接的GNSS模块、MEMS模块、POI集成模块、输出与存储模块(即PNT)，其中所述GNSS模块通过GNSS天线收发信号，所述MEMS模块通过WiFi天线或Internet收发信号，所述POI集成模块通过GSM/CDMA/GPRS收发信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)设计面向导航定位的POI结构：
POI结构包含的基本结构信息为名称、类别、位置、位置精度标示、临近POI、路段、粒度度量、识别特征；
(2)POI的提取与生成：
通过资源库支持，定位具体任务信息描述、数据库拓扑层或地图相关图层的相关位置信息，特征信息提取后，按照面向定位需求的POI基本结构构造与表示符号配置，形成了支持导航定位的扩展POI结果；
(3)构建基于POI的集成导航定位体系：
本框架确立GNSS/MEMS/POI的集成定位模式，定位根据卫星信号质量与惯导定位阀值为切入点，开发基于GNSS/MEMS/POI不同定位模式的低计算复杂度自适应智能切换模型，即分别针对开阔区到遮蔽区定位模式切换；定位需要充分考虑终端所面临的卫星信号及定位环境情况，正常情况下将以北斗/GPS定位模式输出的结果为基准；通过对定位场景的分析，卫星信号被干扰或遮挡时自动启用MEMS定位，并根据定位质量以及惯导误差累积阀值的综合评估，实现定位模式实现自适应切换与结果评估；
对MEMS惯导误差累积阀值进行评估，当惯导误差累积阀值超过预设时间T，自动启用POI，利用POI的空间位置信息对MEMS进行周期性地校准，并且采用使用扩展卡尔曼滤波模型，从而使得GNSS/MEMS/POI集成定位模式的性态达到最优组合。
2.根据权利要求1所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，其特征在于，步骤(2)中，所述POI点，其分布形态的提取方法及途径与道路网结构，基础设施及规划信息密切相关，其数据来源包括城市及道路网数据库、与定位关联的导航地图，根据这些宏观信息，能够得到区域内的实际POI点的多种分布模式，从而为POI的基本结构模型奠定基础。
3.根据权利要求2所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，其特征在于，所述分布模式包括随机型、稀疏型、区域密集型、线状密集型。
4.根据权利要求1所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，其特征在于，步骤(3)中，所述遮蔽区包括如隧道，城市、峡谷。
5.根据权利要求1所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法，其特征在于，步骤(3)中，所述预设时间为50秒或80秒。
6.用于实现权利要求1-5任一权利要求所述基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位方法的基于POI交互的MEMS协同无缝车载定位系统，其特征在于，包括集成定位与分析模块，还包括分别与集成定位与分析模块相连接的GNSS模块、MEMS模块、POI集成模块、输出与存储模块，其中所述GNSS模块通过GNSS天线收发信号，所述MEMS模块通过WiFi天线或Internet收发信号，所述POI集成模块通过GSM/CDMA/GPRS收发信号。
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