一種基于MEMS壓力傳感器協同衛星定位的方法及系統與流程
本發明涉及衛星導航技術領域，具體涉及一種基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法及系統。
背景技術：
現有的衛星定位系統，通過導航儀接收衛星信號，首先利用衛星廣播的星歷，計算出各個衛星的準確位置坐標，接著利用衛星的偽距觀測量建立ρ建立偽距觀測方程(1)，因為接收機存在鐘差，需要把接收機鐘差作為未知數與導航儀上的接收機位置坐標(x，y，z)一起求解。
其中，其中，(xi、yi、zi)為由衛星星歷求得的衛星瞬時地心坐標，(x、y、z)為待求接收機的地心坐標，c為光速，tr、
通過建立5個以上的偽距觀測方式形成求解模型之后，基于卡爾曼濾波求解，即可得出導航定位的位置速度和時間(positionvelocityandtime，pvt)解，通過殘差及中誤差等進行衛星定位質量分析，當質量分析不合格時，重新基于該求解模型再次求解，直到質量分析合格之后輸出定位結果。
現階段有些區域會存在一些城市峽谷區域，會導致導航系統或者導航儀接收到的衛星會少于5個，導致導航的失靈，無法快速求解或者延遲。現在市場上微電機系統(micro-electro-mechanicalsystem，mems)作為新一代慣性導航進展方式，成本低，能耗小，微型化，相對于傳統的慣性導航來說更加實用。mems壓力傳感器可以計算出帶有一定精度的高程維信息，能夠為用戶提供準確的位置信息，增加定位的可靠性，但沒有實現與衛星定位進行緊密的耦合。
技術實現要素：
為了解決現有技術的缺點，針對接收機面對5顆以下的衛星定位時，本發明提供一種基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法及系統，利用mems壓力傳感器與四顆衛星的結合，可以實現衛星定位有效的補充。
為了實現本發明的目的，本發明提供一種基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法，包括如下步驟：
導航儀利用衛星廣播的星歷獲取四顆衛星的衛星瞬時地心坐標；
基于地心坐標與大地坐標的轉換關系，以導航儀的大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程；基于mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息，并基于高度信息建立高程信息約束方程；
基于偽距觀測方程和高程信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。
所述方法還包括：
判斷導航儀搜索衛星的數量，當判斷導航儀搜索的衛星數量為四顆時，啟動mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息。
所述基于mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息還包括：
對所述高度信息進行質量分析，判斷所述質量分析是否達標，若所述質量分析不達標，則繼續獲取高度信息或者停止基于所述高度信息建立高程信息約束方程；在判斷所述質量分析達標以后，基于所述高度信息建立高程信息約束方程。
所述方法還包括：
判斷導航儀搜索衛星的數量，當判斷導航儀搜索的衛星數量為四顆時，啟動數字羅盤獲取基于大地坐標下的平面方位信息。
所述方法還包括：
將高度信息和平面方位信息進行質量比對，若高度信息優于平面方位信息，則基于高度信息建立高程信息約束方程；若平面方位信息優于高度信息，則基于平面方位信息建立平面信息約束方程，基于偽距觀測方程和平面信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標；
或者在高度信息進行質量分析不達標之后，基于平面方位信息建立平面信息約束方程，基于偽距觀測方程和平面信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。
所述獲取導航儀的大地坐標，通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標包括：
基于所述大地坐標求解模型通過卡爾曼濾波得出導航定位在大地坐標系下的pvt解，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標；
通過殘差及中誤差進行定位質量分析，在定位質量分析合格之后輸出定位結果。
相應的，本發明實施例還提供了一種基于meme壓力傳感器協同衛星定位的系統，包括：
星歷模塊，用于獲取四顆衛星的衛星瞬時地心坐標；
偽距觀測模塊，用于基于地心坐標和大地坐標間的轉換關系，以導航儀大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程；
mems壓力傳感器，用于獲取基于大地坐標下的高度信息；
高程信息約束模塊，用于基于高度信息建立高程信息約束方程；
定位求解模塊，用于基于偽距觀測方程和高程信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。
所述系統還包括：
衛星數量判斷模塊，用于判斷導航儀搜索衛星的數量；
觸發模塊，用于在衛星數量判斷模塊判斷導航儀搜索的衛星數量為四顆時，觸發mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息。
所述系統還包括：
高度信息質量分析模塊，用于對所述高度信息進行質量分析，判斷所述質量分析是否達標，若所述質量分析不達標，則繼續獲取高度信息或者停止高程信息約束模塊基于所述高度信息建立高程信息約束方程；在判斷所述質量分析達標以后，高程信息約束模塊基于所述高度信息建立高程信息約束方程。
所述定位求解模塊包括：
卡爾曼濾波單元，用于基于所述大地坐標求解模型通過卡爾曼濾波求解；
pvt解單元，基于卡爾曼濾波求解得出導航定位在大地坐標系下的pvt解，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀地心坐標系下的pvt解；
定位質量分析單元，用于通過殘差及中誤差進行定位質量分析；
定位輸出單元，用于在定位質量分析合格之后輸出定位結果。
采用上面的方案后，本發明的有益效果包括：
mems作為新一代慣性導航進展方式，相比于傳統的慣性導航器件來說成本低，能耗小，微型化，本方法利用mems壓力傳感器結合衛星信號實現定位，使定位更為準確，同時成本低，方便民用，現在大多數導航儀如智能手機都有mems器件，大大增加了本方法可行性，同時實現了在衛星信號差或者僅有4個衛星時的協同定位功能。
傳統上衛星定位與高度都是分開求解的，國內很少把mems壓力傳感器與衛星定位耦合起來求解，國外同樣是很少把二者結合起來進行衛星定位求解。本發明把mems壓力傳感器、數字羅盤與衛星導航模型結合起來形成一種緊湊的技術方案，可以解決城市峽谷、樹林等遮擋比較嚴重區域的定位求解難題。
本方法確立mems、數字羅盤、gnss的集成定位模式，是技術上的一個獨特思考，根據不同的定位條件，構建出基于mems壓力傳感器的集成gnss衛星定位體系，當衛星信號不正常只能接收到4顆衛星的情況下，提供協同工作模式進行衛星定位求解，當衛星信號正常時正常求解，靈活性強，能夠適應不同類型的定位區域。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發明實施例中的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法流程圖；
圖2是本發明實施例中的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法第二流程圖；
圖3是本發明實施例中的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的系統結構示意圖；
圖4是本發明實施例中的定位求解模塊結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
本發明所涉及的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法主要通過如下實現：導航儀利用衛星廣播的星歷獲取四顆衛星的衛星瞬時地心坐標，基于地心坐標與大地坐標的轉換關系，以導航儀的大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程；基于mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息，并基于高度信息建立高程信息約束方程；基于偽距觀測方程和高程信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。
具體的，圖1示出了本發明實施例中的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法第一流程圖，包括如下步驟：
s101、導航儀接收衛星信號；
在完整實施情況下，導航儀可攜帶有mems壓力傳感器來協同定位，該協同定位一般是在導航儀搜到的衛星數量為4時才開始啟動。
s102、基于衛星信號判斷衛星數量；
s103、是否大于4，若大于4則進入到s107，若等于4則進入到s104和s105；
需要說明的是，本發明實施例中可以實現四顆衛星與mems壓力傳感器間的協同定位功能，只需要滿足四顆衛星數量就可以實現，若搜索過程中，存在4顆以上的衛星，也可以只需要取4個衛星數量的信號來基于mems壓力傳感器實現協同定位。這里為了實現原有情況下，一般在搜索到大于4顆衛星的情況下，還是參照原有的衛星定位來實現，即通過建立多個衛星相對應的偽距觀測方程來實現最終衛星導航定位結果的輸出。
需要說明的是，步驟s104和步驟s105可以是同時進行，也可以具有先后步驟，也可以是在四顆衛星條件下觸發啟動。
s104、基于4顆衛星數量建立偽距觀測方程；
當導航儀搜索到4顆衛星數的時候，首先利用衛星廣播的星歷，計算出第i顆衛星的準確位置坐標(xi，yi，zi)(i≤4)；接著利用衛星的偽距觀測量ρ建立觀測方程如下式(2)。因為接收機存在鐘差，因而把接收機鐘差作為未知參數與接收機位置坐標(x，y，z)一起求解。
其中，i≤4，(xi、yi、zi)為由衛星星歷求得的衛星瞬時地心坐標，(x、y、z)為待求接收機的地心坐標，c為光速，tr、
根據地心坐標和大地坐標的線性轉換關系來建立，假定ρ已經經過對流層、電離層和衛星時鐘改正，利用接收機近似坐標(x0，y0，z0)轉換為大地坐標(b0，l0，h0)，四顆衛星的觀測方程經線性化后，可以得到以下矩陣方程：
其中，a為偽距觀測方程系數矩陣，k1為常數矩陣，通過觀測方程的線性化可得；δb、δl、δh是接收機近似大地坐標(b0，l0，h0)的改正數，得到接收機位置坐標(b，l，h)＝(b0+δb，l0+δl，h0+δh)；tr為接收機鐘差。
以上步驟，基于地心坐標坐標與大地坐標的轉換關系，以導航儀的大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程。
s105、基于mems壓力傳感器獲取高度信息；
gnss衛星定位的實質是根據接收機與其所觀測到的衛星之間的距離和所觀測衛星的空間位置來求取接收機的空間位置。因為mems壓力傳感器測出的高度為大約一米的分辨精度，而利用偽距測量的定位方法精度同樣為米級或亞米級，如果利用載波相位測量定位方法，則可以達到厘米級的精度，本技術方案闡述mems壓力傳感器與偽距測量協同定位方法的原理。
利用mems壓力傳感器提取高度。mems壓力傳感器在導航儀中，可以根據大氣壓與海拔高度的關系公式，計算海拔高度，為衛星定位求解提供一個高精度的高度信息。大氣壓與海拔高度的一般關系公式可以表示為：
p＝p0*(1-altitude/44330)^5.255(4)
其中p0是標準大氣壓，等于1013.25mbar；altitude是以米為單位的海拔高度。p是在某一高度的以mbar為單位的氣壓，p可通過導航儀如智能手機中的數字氣壓計讀取相關數據。
具體實施過程中，還涉及到對高度信息進行質量分析，判斷該質量分析是否達標，若質量分析不達標，則繼續獲取高度信息或者停止基于高度信息建立高程信息約束方程；只有在判斷質量分析達標以后，才基于該高度信息建立高程信息約束方程，進入s106。
s106、基于高度信息建立高程信息約束方程；
在基于s105獲得高度h之后，形成高程信息約束方程(5)：
c*δh+k2＝0(對應的權陣為p2)(5)
需要說明的是，c為高程信息約束方程的系數矩陣，基于偽距觀測方程(3)和高程信息約束方程(5)形成導航儀當前的大地坐標求解模型(6)，從而可以實現導航儀的大地坐標求解，即后續可以通過卡爾曼濾波即可得出導航定位pvt解，即直接進入s108實現。
s107、基于衛星數量建立偽距觀測方程；
需要說明的是，該衛星數量達到5顆以上時，至少可以建立5個相關的偽距觀測方程，因此其可以求解出相應的四個未知數，不需要借助于mems來實現協同定位功能。
s108、卡爾曼濾波求解；
s109、pvt解算,并通過地心坐標與大地坐標的轉換關系，獲得導航儀的地心坐標；
s110、導航定位質量分析，若質量分析不合格，則進入到s103，若質量合格則進入到s111；
s111、輸出導航結果。
步驟s108至s111中衛星定位實現解算的原理過程，基于mems壓力傳感器實現過程中，首先基于大地坐標求解模型通過卡爾曼濾波得出導航定位在大地坐標系下的pvt解，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標；通過殘差及中誤差進行定位質量分析，在定位質量分析合格之后輸出定位結果。而傳統的方式基于多個偽距觀測方程來直接求得地心坐標，通過卡爾曼濾波得出導航定位的pvt解；以及通過殘差及中誤差進行定位質量分析，在定位質量分析合格之后輸出定位結果，這里不再贅述。
具體的，圖2示出了本發明實施例中的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法第二流程圖，包括如下步驟：
本發明實施例子是在導航儀只需要四顆衛星條件下實現，在獲取到四顆衛星數據之后，開始整個過程；
s201、導航儀利用衛星廣播的星歷獲取四顆衛星的衛星瞬時地心坐標；
s202、利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程；
具體實施過程中，結合地心坐標和大地坐標的轉換關系，以導航儀的大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程，其整個偽距觀測方程和觀測方程線性化如式(2)和(3)，這里不再贅述。
s203、基于mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息；s204、數字羅盤獲取基于大地坐標下的平面方位信息；
需要說明的是，在四顆衛星條件下，可以啟動mems來協同定位，也可以啟動數字羅盤來協同定位。在導航儀搜索到衛星數量為4顆時，可以先啟動一個來協同定位，比如先啟動mems壓力傳感器來獲取高度信息，可以對高度信息進行質量分析，若質量分析不達標，則啟動數字羅盤獲取平面方位信息；也可以先啟動數字羅盤來獲取平面方位信息，對平面方位信息進行質量分析，若質量分析不達標，則啟動mems壓力傳感器來獲取高度信息。通過這種質量分析，選擇其中質量優的數據建立約束方程。
圖2中實現過程可以是，在四顆星定位情況下，啟動了mems壓力傳感器和數字羅盤來各自獲取數據，然后采用高度信息與方位信息進行質量對比，即實現s205判斷過程。
s205、判斷高程信息是否優于平面信息，若高程信息優于平面信息則進入s206，若平面信息優于高程信息則進入s207；
s206、基于高度信息建立高程信息約束方程；
該步驟s206是在高程信息優于平面信息情況下建立的，這里基于高度信息建立高程信息約束方程可以詳細參閱s105和s106內容，這里不再贅述。
s207、基于平面方位信息建立平面信息約束方程；
該步驟s207是在平面信息優于高程信息情況下建立的，當平面方位信息優于高程信息時，運用數字羅盤提取平面方位信息，根據平面方位信息與大地經緯度b和l等之間的關系，可建立平面信息約束方程(7)如下：
其中：d為平面信息約束條件方程對應的系數矩陣，k3為常數矩陣。
s208、求解衛星接收機的地心坐標。
基于偽距觀測方程(3)和平面信息約束方程(7)形成導航儀當前的大地坐標求解模型(8)，從而可以實現導航儀的大地坐標求解，即后續可以通過卡爾曼濾波即可得出導航定位pvt解，即直接進入s108實現。
由此可見，針對四顆星的過程，該方案可以采用mems壓力傳感器來實現協同，也可以采用數字羅盤來實現協同。
在高程信息數據更優的情況下，采用高程信息約束方程所建立的大地坐標求解模型先求解出導航儀的大地坐標；在平面信息數據更優的情況下，采用平面信息約束方程與所建立的大地坐標求解模型先求解出導航儀的大地坐標。
通過卡爾曼濾波即可得出導航定位pvt解，然后通過殘差及中誤差等進行質量分析，基于此過程中，基于大地坐標求解模型通過卡爾曼濾波得出導航定位在大地坐標系下的pvt解，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。當質量分析不合格時需要重新運用上述數學模型再次求解，直到質量分析合格之后輸出定位結果。所以在只觀測到4顆衛星的情況下，運用本方法同樣能完成衛星定位求解，解決城市峽谷、樹林等遮擋比較嚴重區域的導航困境。
相應的，圖3示出了本發明實施例中的基于meme壓力傳感器協同衛星定位的系統結構示意圖，該系統一般位于衛星導航儀器或者具有導航功能的設備上，該系統包括：
星歷模塊，用于獲取四顆衛星的衛星瞬時地心坐標；
偽距觀測模塊，用于基于地心坐標和大地坐標間的轉換關系，以導航儀大地坐標為求解目標，利用衛星的偽距觀測量建立四顆衛星中每一顆衛星所對應的偽距觀測方程；
mems壓力傳感器，用于獲取基于大地坐標下的高度信息；
高程信息約束模塊，用于基于高度信息建立高程信息約束方程；
定位求解模塊，用于基于偽距觀測方程和高程信息約束方程形成導航儀當前的大地坐標求解模型，獲取導航儀的大地坐標，通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀的地心坐標。
相應的，該系統還包括：
衛星數量判斷模塊，用于判斷導航儀搜索衛星的數量；
觸發模塊，用于在衛星數量判斷模塊判斷導航儀搜索的衛星數量為四顆時，觸發mems壓力傳感器獲取基于大地坐標下的高度信息。
相應的，該系統還包括：
高度信息質量分析模塊，用于對所述高度信息進行質量分析，判斷所述質量分析是否達標，若所述質量分析不達標，則繼續獲取高度信息或者停止高程信息約束模塊基于所述高度信息建立高程信息約束方程；在判斷所述質量分析達標以后，高程信息約束模塊基于所述高度信息建立高程信息約束方程。
相應的，圖4示出了定位求解模塊結構示意圖，該定位求解模塊包括：
卡爾曼濾波單元，用于基于所述大地坐標求解模型通過卡爾曼濾波求解；
pvt解單元，基于卡爾曼濾波求解得出導航定位大地坐標系下的pvt解，并通過地心坐標和大地坐標間的轉換關系獲得導航儀地心坐標系下的pvt解；
定位質量分析單元，用于通過殘差及中誤差進行定位質量分析；
定位輸出單元，用于在定位質量分析合格之后輸出定位結果。
以上各模塊實現過程內容，其整個內容與圖1至圖2中的內容方法一致，這里不再贅述。
采用上面的方案后，本發明的有益效果包括：
mems作為新一代慣性導航進展方式，相比于傳統的慣性導航器件來說成本低，能耗小，微型化，本方法利用mems壓力傳感器結合衛星信號實現定位，使定位更為準確，同時成本低，方便民用，現在大多數導航儀如智能手機都有mems器件，大大增加了本方法可行性，同時實現了在衛星信號差或者僅有4個衛星時的協同定位功能。
傳統上衛星定位與高度都是分開求解的，國內很少把mems壓力傳感器與衛星定位耦合起來求解，國外同樣是很少把二者結合起來進行衛星定位求解。本發明把mems壓力傳感器、數字羅盤與衛星導航模型結合起來形成一種緊湊的技術方案，可以解決城市峽谷、樹林等遮擋比較嚴重區域的定位求解難題。
本方法確立mems、數字羅盤、gnss的集成定位模式，是技術上的一個獨特思考，根據不同的定位條件，構建出基于mems壓力傳感器的集成gnss衛星定位體系，當衛星信號不正常只能接收到4顆衛星的情況下，提供協同工作模式進行衛星定位求解，當衛星信號正常時正常求解，靈活性強，能夠適應不同類型的定位區域。
本領域普通技術人員可以理解上述實施例的各種方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀存儲介質中，存儲介質可以包括：只讀存儲器(rom，readonlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、flash、磁盤或光盤等。
以上對本發明實施例所提供的基于mems壓力傳感器協同衛星定位的方法及系統進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
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