基于多傳感器融合的單人定位導航器和定位導航方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及慣性導航和組合導航，尤其是一種基于多傳感器融合的單人定位導航器和定位導航方法，屬于慣性系統技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，微機械(MEMS)技術已經相當成熟，在軍民各個領域都有著廣泛的應用，在慣性領域亦是如此。MEMS陀螺儀和MEMS加速度計憑借其體積小、功耗低、重量輕和成本低等特點，在航模、無人機、照相機和手機等領域，有著廣泛的應用。另外，衛星導航系統，地磁傳感器和氣壓計等傳感器，也被廣泛運用于汽車導航、飛行控制等場合。
[0003]個人導航系統，即PNS(Personal/PedestrianNavigat1n System)主要用于跟蹤定位行走人員的實時位置，并通過無線通訊傳輸給監控單元，實時監測人員位置變化和運動狀態，有效地提高軍事作戰人員、搶險搜救人員的快速反應能力以及保障行人的交通安全。個人導航系統具有重量輕、體積小、價格相對低廉、便攜性好等特點，在反恐，消防安全等領域有著廣泛的需求和應用前景。
[0004]慣性導航系統，經過幾十年的發展，技術已經非常成熟，在飛機、艦船、車輛和導彈等載體上有著廣泛應用。但是，由于體積、重量和成本的限制，未能用于單人定位導航領域。全球衛星定位系統(GNSS)的出現，解決了傳統慣性導航系統體積、重量和成本等問題，讓單人定位導航成為了可能。但是，由于遮擋和電磁干擾等因素，不能實現室內定位和完全自主導航等功能。
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種基于多傳感器融合的單人定位導航器和定位導航方法，本發明可以實現個人在各種環境下的精確定位。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下:
基于多傳感器融合的單人定位導航器，其特征在于:包括全球衛星定位系統、用于測量高度的氣壓計、三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸地磁傳感器，三軸陀螺儀和三軸加速度計組成微機械慣性導航單元，陀螺儀得到的姿態角信息、加速度計得到的位置信息、地磁傳感器提供的人體航向信息、氣壓計提供的高度信息、加速度計計算出的步頻信息以及全球衛星定位系統提供的位置速度信息共同輸入卡爾曼濾波器，利用卡爾曼濾波算法進行多信息融合，卡爾曼濾波器用于輸出定位導航參數。
[0007]所述卡爾曼濾波器輸出的定位導航參數反饋給微機械慣性導航單元，以對微機械慣性導航單元的輸出進行修正，從而降低隨時間積累的定位誤差。
[0008]基于多傳感器融合的單人定位導航方法，本單人定位導航方法采用前述的基于多傳感器融合的單人定位導航器，具體根據全球衛星定位系統信息有無分別處理，
當全球衛星定位系統信息有效的情況下，本方法利用微機械慣性導航單元信息、地磁傳感器信息和全球衛星定位系統信息，通過卡爾曼濾波算法，形成組合導航系統，實時輸出位置、速度、姿態和方位信息，比對系統和器件的各項誤差進行估計和補償；
當全球衛星定位系統信號受到遮擋或干擾，不能提供人體位置和速度信息的時候，本方法采用微機械慣性導航單元信息與地磁傳感器信息、氣壓計信息和加速度計獲得的計步信息進行卡爾曼濾波計算，實時輸出人體位置、速度、姿態和方位信息。
[0009]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
1、由于本發明為組合導航系統，即使全球衛星定位系統由于遮擋和電磁干擾等因素而不能穩定接受信息，也可有效定位導航，適用于各種環境，如室內和隧道內。
[0010]2、采用卡爾曼濾波器進行多傳感器數據融合，通過步態檢測算法修正MEMS慣性導航系統，從而降低隨時間積累的定位誤差，實現個人精確3D定位。
[0011 ] 3、采用MEMS陀螺儀和加速度計，單人定位導航器具有體積小，重量輕，功耗低和成本低等特點。
【附圖說明】
[0012]圖1-本發明系統結構圖。
【具體實施方式】
[0013]以下結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細描述。
[0014]參見圖1，從圖上可以看出，本發明基于多傳感器融合的單人定位導航器，包括全球衛星定位系統、用于測量高度的氣壓計、三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸地磁傳感器，三軸陀螺儀和三軸加速度計組成微機械慣性導航單元，陀螺儀得到的姿態角信息、加速度計得到的位置信息、地磁傳感器提供的人體航向信息、氣壓計提供的高度信息、加速度計計算出的步頻信息以及全球衛星定位系統提供的位置速度信息共同輸入卡爾曼濾波器，利用卡爾曼濾波算法進行多信息融合，卡爾曼濾波器用于輸出定位導航參數。
[0015]系統工作原理如圖1所示，將三軸陀螺儀輸出角速率信號進行積分，得到系統姿態矩陣信息(包括方位角和姿態角信息)。根據姿態矩陣，將加速度計測量的比力信息投影積分，得到系統速度。將速度進行再次積分，獲得系統的位置信息。通過該慣性導航計算，獲得系統姿態、速度和位置等信息。再結合氣壓計獲得的高度信息，地磁傳感器信息，計步信息和GNSS信息，進行卡爾曼濾波，從而獲得最優的姿態、速度和位置等參數。
[0016]所述卡爾曼濾波器輸出的定位導航參數反饋給微機械慣性導航單元，以對微機械慣性導航單元的輸出進行修正，從而降低隨時間積累的定位誤差。
[0017]基于多傳感器融合的單人定位導航方法，采用前述基于多傳感器融合的單人定位導航器，具體根據全球衛星定位系統信息有無分別處理，
當全球衛星定位系統信息有效的情況下，本方法利用微機械慣性導航單元信息、地磁傳感器信息和全球