一种室内外无缝组合导航与时间同步定位方法和系统与流程

本发明实施例涉及多源传感器融合的组合导航定位，尤其涉及一种室内外无缝组合导航与时间同步定位方法和系统。

背景技术：

1、目前，车载及便携式定位设备（pbox设备）广泛采用全球导航卫星系统（globalnavigation satellite system, gnss）、惯性测量单元（inertial measurement unit,imu）与轮速计（wheel speed sensor, ws）三者组合的导航架构，以实现载体的连续定位与姿态测量。其中，gnss提供绝对位置信息，imu提供角速度与加速度等惯性测量信息，ws提供载体速度信息，三者通过数据融合算法（如扩展卡尔曼滤波）进行联合解算，可在开阔环境下实现较高精度的定位输出。然而，受限于pbox设备的成本约束，其所搭载的imu通常为低精度mems（micro-electro-mechanical system，微机电系统）惯导器件，陀螺零偏与加计漂移较大，定位误差随时间累积迅速发散，因此必须依赖gnss的定期校正来维持定位精度。

2、上述传统组合导航方案存在以下技术缺陷：其一，系统高度依赖gnss信号实现初始化与授时同步。在室内、地下车库、城市峡谷等gnss拒止或信号遮挡场景下，设备无法获取有效的gnss定位信号与授时信息，仅能依托系统本地时间驱动imu与ws传感器运行，无法完成正常的初始对准与导航解算启动，导致设备在上述场景下无法上电启动定位。当设备从室内遮挡区域移动至室外开阔区域后，gnss信号恢复，但由于室内运行期间系统本地时间与gnss标准时间之间已积累较大的时间偏差，造成gnss、imu与ws三者数据时间戳错位，观测数据不同步，直接导致组合导航融合失效、定位结果跳变、轨迹出现断层。现有技术中虽有采用gnss秒脉冲（pulse per second, pps）信号进行硬件授时同步的方案，但硬件同步后仍存在残余的微秒级时间偏差，在高速运动工况下，该残余时间偏差会被持续放大，叠加低精度imu的固有漂移，严重降低了整体定位精度与稳定性。其二，传统设备无历史定位信息复用机制，每次上电启动均需依赖有效的gnss信号完成初始化。在gnss拒止场景下，设备无法完成冷启动，仅能在进入室外开阔区域、接收到gnss信号后方可开始工作，室内外定位之间存在明显的启动盲区与定位断层，场景适配性极差，难以满足全场景连续定位的应用需求。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种室内外无缝组合导航与时间同步定位方法和系统，以解决现有技术中现有pbox组合导航系统在gnss拒止场景下无法冷启动定位、室内外切换时多传感器时间基准失步导致融合失效，以及硬件授时后残余时间偏差在高速运动工况下放大定位误差的技术问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种室内外无缝组合导航与时间同步定位方法，应用于包括惯性测量单元、gnss接收机和轮速计的组合导航设备，所述方法包括：

3、在所述组合导航设备运行过程中，获取组合导航系统解算得到的载体位姿信息，并将所述载体位姿信息存储至存储单元；

4、当所述组合导航设备上电启动且尚未获取到gnss接收机输出的有效gnss定位信号时，从所述存储单元读取最新存储的载体位姿信息，以所述载体位姿信息作为惯性测量单元的初始化参数，启动惯性导航解算；在未获取到有效gnss定位信号期间，持续进行惯性导航递推，获得状态递推结果；

5、当获取到gnss接收机输出的有效gnss定位信号时，捕获gnss接收机输出的pps秒脉冲信号，在所述pps秒脉冲信号的触发时刻同步锁存gnss标准时间与设备系统本地时间，并以所述gnss标准时间校准所述设备系统本地时间，以统一gnss接收机、惯性测量单元与轮速计的时间基准；

6、在统一时间基准后，将gnss接收机与惯性测量单元之间的残余时间偏差构建为待估计的误差状态量，以所述状态递推结果作为预测信息、以gnss接收机输出的位置观测值作为更新信息进行递推滤波；在递推滤波时，以载体速度与所述残余时间偏差的乘积对所述位置观测值进行时延补偿，以估计并补偿所述残余时间偏差，根据滤波更新后的导航状态量；

7、持续输出导航位姿信息，其中，在未获取到有效gnss定位信号时，以所述状态递推结果作为导航位姿信息输出；在获取到有效gnss定位信号时，以所述滤波更新后的导航状态量作为导航位姿信息输出。

8、作为优选的，所述存储单元还存储有轮速计比例因子以及轮速计轴系与惯性测量单元轴系之间的安装误差角。

9、作为优选的，从所述存储单元读取最新存储的载体位姿信息，以所述载体位姿信息作为惯性测量单元的初始化参数，启动惯性导航解算，具体包括：

10、从所述存储单元读取上次运行存储的轮速计比例因子和安装误差角，利用读取的所述轮速计比例因子和所述安装误差角，依次执行轮速计原始速度的比例修正、轮速计坐标系至惯性测量单元坐标系的轴系转换、以及惯性测量单元坐标系至导航坐标系的转换与杆臂补偿，得到轮速计速度观测值；所述轮速计速度观测值与所述载体位姿信息共同作为输入参数，以启动惯性导航解算。

11、作为优选的，所述执行轮速计原始速度的比例修正，包括：

12、根据所述轮速计比例因子对轮速计输出的原始速度进行修正，得到轮速计在轮速计坐标系下的实际速度：

13、

14、其中，为轮速计输出的原始速度，

k为从所述存储单元读取的轮速计比例因子，用于表征轮速计原始速度输出值与车轮实际速度之间的比例关系，为轮速计在轮速计坐标系下的实际速度。

15、作为优选的，所述轮速计坐标系至惯性测量单元坐标系的轴系转换，包括：

16、将所述轮速计在轮速计坐标系下的实际速度，采用从所述存储单元读取的轮速计轴系与惯性测量单元轴系之间的安装误差角对应的旋转矩阵，转换至惯性测量单元坐标系下的速度：

17、

18、其中，为轮速计在轮速计坐标系下的实际速度，为从所述存储单元读取的安装误差角对应的轮速计坐标系至惯性测量单元坐标系的旋转矩阵，为轮速计在惯性测量单元坐标系下的速度。

19、作为优选的，所述惯性测量单元坐标系至导航坐标系的转换与杆臂补偿，包括：

20、将所述轮速计在惯性测量单元坐标系下的速度，通过惯性测量单元坐标系至导航坐标系的旋转矩阵转换至导航坐标系，并以陀螺测得的载体相对地球的角速度与轮速计安装位置至惯性测量单元中心的杆臂向量的叉积进行杆臂补偿，得到轮速计在惯性测量单元中心处导航坐标系下的速度观测值：

21、

22、其中，为惯性测量单元坐标系至导航坐标系的旋转矩阵，为轮速计在惯性测量单元坐标系下的速度，为陀螺测得的载体相对地球的角速度，为轮速计安装位置至惯性测量单元中心的杆臂向量，

v为轮速计在惯性测量单元中心处导航坐标系下的速度观测值。

23、作为优选的，在所述pps秒脉冲信号的触发时刻同步锁存gnss标准时间与设备系统本地时间，包括：

24、捕获gnss接收机输出的pps秒脉冲信号的上升沿，在所述上升沿的触发时刻同步锁存当前gnss标准时间戳与设备系统本地时间戳。

25、作为优选的，所述递推滤波通过增广状态的扩展卡尔曼滤波实现，所述扩展卡尔曼滤波的误差状态向量为：

26、

27、其中，为位置误差，为速度误差，为姿态角误差，为陀螺零偏误差，为加计零偏误差，为gnss接收机与惯性测量单元之间的残余时间偏差。

28、作为优选的，所述以gnss接收机输出的位置观测值作为更新信息进行递推滤波中的滤波更新，所述位置观测值的残差通过以下方式确定：

29、

30、其中，为gnss接收机输出的位置观测值，为惯性测量单元递推得到的位置预测值，

v为载体速度，为gnss接收机与惯性测量单元之间的残余时间偏差，

r为滤波更新过程中位置观测值的残差。

31、第二方面，本发明实施例提供一种室内外无缝组合导航与时间同步定位系统，应用于包括惯性测量单元、gnss接收机和轮速计的组合导航设备，所述系统包括：

32、存储模块，用于在所述组合导航设备运行过程中，获取组合导航系统解算得到的载体位姿信息，并将所述载体位姿信息存储至存储单元；

33、初始化模块，用于在当所述组合导航设备上电启动且尚未获取到gnss接收机输出的有效gnss定位信号时，从所述存储单元读取最新存储的载体位姿信息，以所述载体位姿信息作为惯性测量单元的初始化参数，启动惯性导航解算；在未获取到有效gnss定位信号期间，持续进行惯性导航递推，获得状态递推结果；

34、时间同步模块，用于当获取到gnss接收机输出的有效gnss定位信号时，捕获gnss接收机输出的pps秒脉冲信号，在所述pps秒脉冲信号的触发时刻同步锁存gnss标准时间与设备系统本地时间，并以所述gnss标准时间校准所述设备系统本地时间，以统一gnss接收机、惯性测量单元与轮速计的时间基准；

35、滤波补偿模块，用于在统一时间基准后，将gnss接收机与惯性测量单元之间的残余时间偏差构建为待估计的误差状态量，以所述状态递推结果作为预测信息、以gnss接收机输出的位置观测值作为更新信息进行递推滤波；在递推滤波时，以载体速度与所述残余时间偏差的乘积对所述位置观测值进行时延补偿，以估计并补偿所述残余时间偏差，根据滤波更新后的导航状态量；

36、输出模块，用于持续输出导航位姿信息，其中，在未获取到有效gnss定位信号时，以所述状态递推结果作为导航位姿信息输出；在获取到有效gnss定位信号时，以所述滤波更新后的导航状态量作为导航位姿信息输出。

37、本发明实施例提供的一种室内外无缝组合导航与时间同步定位方法和系统，首先在设备正常运行期间持续存储载体位姿信息，使设备在上电启动且无gnss信号时能够直接读取历史位姿完成惯导初始化，从而摆脱对gnss信号的启动依赖；在gnss信号恢复时利用pps秒脉冲的上升沿触发同步锁存gnss标准时间与设备系统本地时间，以硬件方式实现多传感器时间基准的粗同步，消除室内外切换导致的宏观时间失步；在统一时间基准的基础上，通过增广状态的扩展卡尔曼滤波将残余时间偏差作为独立状态量进行在线递推估计，并在gnss观测更新时以载体速度与残余时间偏差的乘积对位置观测值进行时延补偿，从而实现微观层面残余时延误差的精确消除。基于该技术思路，本发明能够取得以下技术效果：

38、（1）实现室内、地下车库等gnss完全拒止场景下的直接上电冷启动，填补了传统方案在无信号区域的启动盲区，真正做到室内外定位无缝衔接.

39、（2）通过pps硬件同步与ekf时延补偿的粗细两级校正机制，彻底解决了多传感器数据时间戳错位导致的融合失效问题.

40、（3）通过在线补偿残余时延在高速运动工况下被放大的定位误差，显著提升了动态定位精度，使低成本低精度imu设备在算法层面获得接近高精度器件的定位稳定性。

41、（4）全程无需更换硬件或增加额外传感器，仅通过算法优化即可补偿低精度器件的漂移与同步误差，大幅降低了pbox设备的量产与使用成本。最终实现gnss信号有无条件下定位输出的平稳过渡与持续可用，为车载及便携定位设备提供一套低成本、高鲁棒性的全场景无缝导航解决方案。