（控制科学与工程专业论文）移动机器人idgps导航定位系统分析与设计.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 人类早期的导航经历随着岁月的流失已消逝，但历史却记录下了许多导航事例，如古 代的航海家通过观测星球来导引船舶。今天，这种古老的方法随着空问技术、微电子技术 和计算机技术的出现义得以发展。现代的卫星导航系统( g p s ) 正是以这些综合技术为基础， 在人类导航史上兴起了一场新的革命。 1 1 课题的研究背景及意义 机器人是2 0 世纪人类最伟大的发明之一，从某种意义上讲，一个国家机器人技术水 平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。随着社会的发展，科技的进步，机器人越 来越广泛的走进人们的生活，在工业、农业、海洋开发、野外作业等领域出现了各式各样 的机器入，这些机器人的出现和应用给社会发展带来了巨大变化。尽管这些机器人工作在 不同行业、不同领域，有的是固定式的有的是移动式的，但是它们电有相同之处：就是 可以在特定的工作环境之下，可i ；i 由操控者完全控制、或者半自主、甚至是自主地完成一 定的工作任务。其中移动机器人作为机器人学中的一个重要分支，从阿波罗登月计划中的 月球车到美国最近推出的n a s a 行星漫游计划中的六轮采样车：从西方各国正在加紧研制 的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力的显示了移动机器 人的使用价值和广阔的发展空间。移动机器人以研制高水平的环境信息传感器信息处理技 术为目的，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人为根本出发点1 5 j ，以适应目前民 用、军用的双重需要。 1 军事方面。移动机器人主要用于执行战场侦察、检测和目标指示、障碍检测和突 破、跟踪、排雷、救护、摧毁特定目标、输送物质、进入核辐射及化学污染地带等多种军 用战术任务。 2 民用方面。移动机器人可用于通信中继、环境保护和自然灾害的监视和支援。同 时移动机器人还可以用于边境的巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测，并在未来大型农场和 城区监视等民用方面具有广阔的市场前景。 导航定位系统在移动机器人中占有重要的地位。对于移动机器人来说，为了能高效率 导航定位系统在移动机器人中占有重要的地位。对于移动机器人来说，为了能高效率 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 地导航，即从作业环境中穿行并到达目的地，就必须找到一种方法，使它能够根据环境中 已知的些特征来判断出它自身的位置，这就是机器人的定位问题。移动机器人要想在未 知环境中自主运动，一个基本问题就是确定自身在环境中的位置，只有这样移动机器人才 能正确地选择和决策。可见定位技术对于移动机器人的实际应用是必不可少的，同时这也 是移动机器人实现智能化以至完全自主的关键技术。 本论文在考虑移动机器人特点及对导航定位需求的基础上，研究了逆向差分全球定位 系统( i d g p s ) 在移动机器人导航定位系统中的应用。 1 2 导航的基本概念和移动机器人常用的导航定位方法 “导航”的传统定义为：引导交通工具或其它运动物体从一个位置移动到另一个位置的 过程【l “。导航过程中应能够随时提供反映载体运动状态的位置、速度、姿态、以及相对于 航行目的地的其它一些参数，以便载体沿着航行安全、用时较短、费用经济的路线到达目 的地。但是在这些参数中，最重要的参数还是确定载体的位置，即定位，所以导航的核心 是定位。要实现导航必须对运动体实时定位，以便与目的地的位置相比较，进而计算出前 进的距离和方位。一般来说，导航与定位的区别在于：导航是对运动点而言的，观测时间 很短，观测数据要实时处理，提供相对参考位置的相对坐标，定位精度不及固定点高；定 位一般是对固定点而言的允许较长时闻的观测，观测数据事后处理，提供绝对坐标，定 位精度较高。能够导航的系统必须能够定位，能够定位的系统未必能够导航，这取决于观 测设备能否在运动体上获得足够精度的观测量。而移动机器人导航系统就是测量并解算出 机器人瞬时运动状态和位置，提供给控制系统以实现对机器人的正确操纵或控制。 目前在移动机器人中广泛使用的导航定位方法主要有以下几种： 1 内部传感器导航。该方法主要是借助于里程计、方向计、加速度计、陀螺等内部传 感器通过累积测量的推算定位来确定移动机器人相对于初始时刻的位置和方向，实现机器 人定位。该方法有一个严重的缺点，即误差具有积累性，所以过一段时间必须通过其它定 位方式进行修正。 2 主动传感器导航。该方法主要借助于超声波、激光测距仪等主动传感器定位。在结 构化环境中，一般是在环境中预先建立电磁、红外等信标。机器人通过检测信标来确定自 身位置，而与具体的外部环境无关、激光测距仪用来建立机器人在环境中的绝对坐标，超 国防科学技术大学研究生院学位论文 声波传感器则是建立移动机器人在环境中的相对坐标，这种定位方式具有较高的精度和抗 干扰能力。 3 视觉传感器导航。该方法是近年来发展起来的一种定位方法。其原理是通过摄像 机获取周围景物的图像，利用景物中的些自然的或者是人造的特征，通过图像处理方法 得到周围环境模型来实现位置确定。这种定位方法累积误差小，但计算量大，对外界条件 ( 特别是光照条件) 和路标有一定的要求，传感器视场的大小是这类定位系统所要解决的一 个关键问题。 4 无线电导航。它是通过测量无线电波从发射台到接收台的传输时间来定位的种方 法，也可以通过测量无线电信号的相位或相角来定位。 卫星导航系统是无线电导航定位技术的发展，特别是g p s 系统的投入使用，代表了无 线电导航现代化的发展趋势。美国已把发展g p s 系统作为促进整个无线电导航现代化的核 心，把建成g p s 系统作为无线电导航进入2 l 世纪的重要标志。 1 3 课题所研究的移动机器人及其导航定位方式 本课题所研究的移动机器入( 见图1 1 所示) 来源于一些武器设备研究部门提出的一种 非常小的无人侦察平台方案，目的是以构造在高科技条件下的新型作战系统，全面提升部 队在全天候、全天时、复杂地形的战场感知能力、通信指挥控制一体化、自动化能力和系 统整体对抗能力。该移动机器人与其它机器人的不同之处在于它是一种结构紧凑、小型、 轻重量( 2 3 5 k g ) 、无人、全天候的地面侦察系统。由于该移动机器人具有良好的灵活机动性 和隐蔽性，从而使其在军事和民用上具有广泛的应用前景。 图1 l 移动机器人外观图 对于该移动机器人的导航定位系统而言，要在未知非结构化环境中准确地实现定位 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 只有g p s 导航定位系统才能满足这一要求。无论是视觉传感器导航还是主动传感器导航， 它们都适合于在结构化环境中使用，同时作用范围极其有限，内部传感器导航( 如i n s 、d r ) 由于其天然缺点，因此是不适用的。当然将g p s 和内部传感器结合起来，形成组合导航系 统，则可以优势互补，是一种比较好的选择方法。 全球定位系统( g p s ) ，其全称为定时和测距的导航卫星( n a v s t a r - - n a v i g a t i o ns y s t e m t i m i n ga n dr a n g i n g ) ，意为用来授时和测距的导航系统。g p s 具有全球、全天候、连续实 时提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息等系列优点。通常移动机器人所载接收 机能接收到4 颗卫星的信号就可以确定机器人当前的位置。g p s 目前已经成为导航系统发 展的主流技术，但是由于g p s 系统是一种无线电卫星导航系统，它需要对卫星有直接可观 测性，在高楼大厦，林荫道和涵洞f 即所谓的“城市峡谷”) 等地方有可能导致信号的暂时 中断；因墙体或山的侧面所造成的多路径效应，g p s 接收机同样无法识别，并可能导致相 当大的偏差，这说明g p s 导航系统虽然定位精度高，但一旦遭到破坏，便可能失去导航能 力。 g p s 目前在全球的应用很广。在航海和海洋工程中，可以进行船只定位、海洋测量、 暗礁定位和水上交通管理等：在大地测量中可以在个点上长时间观测或多点联测或加事 后处理，可以达到厘米级的观测精度，因而用来研究地球动力学、地壳运动等：在陆地导 航中可以应用在汽车定位、行业车辆管理、列车监控、野外作业( 如沙漠、深山、森林等陌 生地带对车辆和人员导航) 和陆军移动定位( 如车辆、坦克、装甲车、火炮、夜战部队等) 。 g p s 在机器人领域也得到了广泛应用，然而单独使用g p s 定位，机器入只能得到当前 位置的经纬度，不能很直观的让操作人员了解机器人运行情况并加以远程控制，并且精度 较低，缺乏实际意义。除采用g p s 定位以外，还引入了电子地图进行地图匹配，并利用无 线移动通信系统进行信息的收发和控制。这种方案提高了定位精度，地图显示直观方便， 通过短消息控制的方案便于操作人员监控机器人的运行情况。为了跟踪移动机器人的先进 技术水平，国内从八五期间开始了这方面的研究。t h m r - v 机器人系统是清华大学计算机 系研制的自主移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。t h m r v 系统的g p s 采用加拿大n o v a t e l 公司生产的3 l l l 单频1 2 通道实时差分g p s 系统。该系统由两台 3 l l l 8 g p s 接收机、f r m 9 6 5 3 5 ( w ) 电台及m o d e m 组成。t h m r - v 移动机器人速度为高 速公路8 0 k 叫h ，一般道路为2 0 k f n h 。在国外瑞士徕卡公司研制的3 dg p s 控制系统可应用 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 于平地机、推土机等工程机械上。该g p s 解决方案的优越性是直接把工程设计数据用于施 工，减少了不必要的误差。利用一个基站，能够同时控制多台设备，控制范围达到1 0 k m ， 它的系统精确度达到3 0 m m 。近几年来美国在对阿、伊战争中所使用的单兵便携式机器人系 统，如“派克波特”( p a c k b o t ) 、“魔爪”( t a l o n ) 等便配备了g p s 系统，它们在搜索地洞、坑 道、建筑物内部，探测和清除反步兵地雷的行动中发挥了重要的作用，减少了不必要的人 员伤亡和财产损失。 1 4 移动机器人i d g p s 导航定位系统组成 一般而言，我们说的差分g p s ( d g p s ) 指的是正向差分g p s 技术，与正向差分0 p s 技 术相反的是逆向差分g p s ( i d g p s ) 技术。i d g p s 与d g p s 的原理基本相同，主要区别在于 处理差分定位是在基准站，而不是在移动站。因此具有定位信息快，差分处理能力强等优 点。目前，国内外对d g p s 技术研究已经成熟，而对于i d g p s 技术的研究与应用相对较少。 本着课题所研究的移动机器人系统的小型化及基准站和移动站对g p s 导航定位信息 要求的不对称性的特点，为此课题所研究的移动机器人采用i d g p s 导航定位系统，它由三 大部分构成：一是移动机器人车身部分，二是移动机器人的遥控操作部分，三是移动机器 人数据链路，如图】2 所示： 移动机器人车身部分移动机器人数据链路 移动机器人遥控操作部分 图1 2 移动机器人i d g p s 导航定位系统结构框图 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 移动机器人车身部分的主要任务是接收g p s 导航定位信息，并通过无线通讯设备 ( g s m ) 传输到移动机器人遥控操作部分。 移动机器人遥控操作部分的主要功能是接收并保存移动机器人车身部分传递过来的 g p s 定位数据，在计算机上进行差分运算，从而得出移动机器人准确的定位信息，并在电 子地图上显示出来，以供导航使用。 1 5 论文内容和章节安排 本论文在分析了移动机器人自身的特点，在综合考虑了多种导航定位方式的基础上， 着重研究了l d g p s 导航定位系统在移动机器人中的应用，并对移动机器人i d g p s 导航定 位系统进行了功能设计，平台设计和通信设计。鉴于g p s 自身的缺点，提出了适用于移动 机器人的i d g p s 仍r 组合导航方法，并对其数据融台算法进行了研究。最后对移动机器人 i d g p s 导航定位系统进行了分析，并对移动机器人i d g p s 导航定位系统输出数据的可信 度进行了讨论。 具体地说，本文包括以下内容： 1 ) 在第一章中，提出了本论文所研究课题的背景和意义，介绍了导航系统的基本概念 和几种移动机器人常用的导航方式，给出了移动机器人i d g p s 系统的构成，提出了论文研 究的主要内容。 2 ) 在第二章中，介绍了g p s 系统的基本原理，并在此基础上论述了i d g p s 系统的构 建和基本的算法流程，为建立移动机器人i d g p s 系统提供了理论支持。 3 ) 在第三章中，针对移动机器人i d g p s 系统输出数据不连续的特点，对i d g p s d r 组 合定位系统原理、i d g p s d r 组合定位系统数据的信息融合算法进行了研究，并进行了仿 真。 4 ) 在第四章中，全面构建了i d g p s 导航定位系统，对移动机器人i d g p s 导航定位系 统的硬件选型进行了讨论，给出了整个系统功能模块相应的软件流程。 5 ) 在第五章中，就移动机器人i d g p s 导航定位系统进行了理论分析，提出了移动机器 人i d g p s 导航定位系统输出数据可信度的概念。 6 ) 在第六章中，总结了本文的工作，指出了不足之处，展望了移动机器人和i d g p s 导 航定位系统的发展方向和进一步要开展的几点工作及建议。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章移动机器人i d g p s 导航定位系统基本理论 正如人们所说：“g p s 的应用，仅受人们的想象力制约”。g p s 问世以来，已充分显示 了其在导航定位领域的霸主地位，许多领域也由于g p s 的出现而产生革命性的变化。目前 几乎世界上所有需要导航定位的用户，都被g p s 的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活 和质优价廉所吸引。但是普通的g p s 定位精度都在1o 米左右( 无s a 的情况) ，显然不能满 足移动机器人导航定位系统的需要，而i d g p s 技术可以显著的提高g p s 定位精度，但作 用范围受到限制。 2 1g p s 定位技术 2 1 1g p s 定位系统综述 g p s 是由美国国防部在1 9 7 3 年为了满足军方对高动态运动目标的要求而开始研究和 建立的。但随着g p s 定位技术的发展，定位精度的提高，以及民用产品中对于高精度定位 需求不断增加，其应用范围也在不断扩大，由军用逐步转变为军民两用。 g p s 系统主要由三大部分构成：空问部分、地面监控部分和用户接收机。 g p s 空间部分由2 4 颗在轨卫星组成( 见图2 1 ) 。2 4 颗卫 星均匀分布在每个轨道平面升交点的赤经相隔6 0 0 的六个轨 道平面中，轨道平面相对地球赤道面的倾角为5 5 。，轨道平均 高度约为2 0 2 0 0 k m ，运行周期约为1 2 小时，这种轨道参数的 卫星能覆盖地表面积的3 8 。卫星运行到轨道的任何位置上， 它对地面的高度和波束覆盖面积不变：同时波束覆盖区域内， 用户接收到的信号强度近似相等，这样，可保证地球上和近 地空间任意位置的用户在任何时刻均可同时观测到至少4 颗 图2 l g p s 卫星星座 卫星，对提高g p s 定位精度有好处。 g p s 地面监控部分由1 个主控站，3 个注入站和5 个监测站组成。每当卫星经过监控 站上空，各监控站即开始以每1 5 秒收集卫星距离，之后加上该地区的大气情况，一起传 送到主控站，由主控站计算卫星的未来轨道、健康状况等信息，最后将误差修正信号上传 给卫星。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 g p s 用户设备的核心是g p s 接收机，它由主机、天线、电源和数据处理软件等组成。 g p s 接收机的基本功能是：选择卫星、捕获信号、跟踪和测量导航信号、校正传播效应、 计算导航解、显示及传输定位信息。现世界范围内已有许多厂家生产出百种以上的g p s 接 收机设备，根据用户任务的不同，所用设备的复杂程度也不同。从最简单的单通道便携式 接收机到性能完善的多通道接收机。不同类型和不同结构的接收机适应于不同的精度要 求、不同的载体运动特性和不同的抗干扰环境。一次定位的时间从几秒钟至几分钟不等， 这取决于接收机设备的完善程度，如车上使用的g p s 接收机一定要满足一定的冲击和震动 要求，温度和湿度要求。 g p s 系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球 上的导航和定位问题。作为新一代的卫星定位导航系统，其最基本的特点是以“多星、高 轨、高频、测时测距”为体制，以高精度的原子钟为核心，并以高精度、全天候、高 效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点而著称m 。 2 1 2g p s 伪距定位原理 g p s 采用高轨测距体制，以观测站至g p s 接收机之间的距离作为基本观测量。为获得 距离观测量，主要采用两种观测方法：一是测量g p s 卫星发射的测距码信号( c ，a 码或p 码) 到达用户接收机的传播时间；二是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接 收机产生的载波信号之间的相位差。载波相位观测是目前最糖确的观测方法。它对精密定 位工作具有极为重要的意义。但由于载波相位观测存在整周不确定、周跳和半周跳等现象， 因此其数据处理比较复杂。 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间在快速变化，需要实时 的由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时的由卫星的导航电文解算出卫星的 坐标值，并进行测站点的定位。根据测距原理，其定位方法主要有伪距法定位、载波相位 测量定位等。 伪距测量就是卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码( c a 码与p 码或y 码) ，该 测距码经过越时问的传播后到达接收机。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相 同的测距码( 复制码) ，并通过延时器使其延迟时间f 。将这两组测距码进行相关处理，若 自相关系数r ( ，) l ，则继续调整延迟时间f ，直至自相关系数r ( f ) = 1 为止a 此时复制码 已和接收到的卫星的测距码对齐，复制码的延迟时间f 等于卫星信号的传播时间f 。f 乘 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 上光速c 后即可求得卫星至接收机之间的距离。更具体地说：g p s 卫星发射的测距码信号 s ( ，) 从卫星天线发射，穿过电离层、对流层后经时间延迟f 到达接收机天线。接收机天线 与t 时刻接收到的卫星信号s ( f f ) 。接收机产生的与卫星发射时刻的测距码相同的本地 码为s ( ，+ 函) ，新为接收机的卫星钟差。经码移位电路，可将本地码移位f7 得到 s ( f + 西一f ) ，送入相关器与接收到的卫星信号进行处理，积分得出相关输出为： r ( s f ) = j s ( 卜f ) s ( f + 西一f ) 西 ( 2 1 ) 调整移位f 使相关输出为最大，根据测距码自相关的特性得： f=f+研一”r(22) 式中：t 为测距码周期，n 为整周数( 萨l ，2 ，3 ，) 。 得到伪距观测量为： p = c r r = p 十击f 一，祝( 2 3 ) 式中a 是测距码波长。以为测距的模糊度。 根据卫星的轨道高度可以大概地估计到卫星至接收机的距离范围。对于卫星信号中的 两神伪距码( p 码与c a 码) 而言，p 码的波长很长，远大于待测距离，所以 n = o ， p 。= 仃_ p + 晒， ( 2 4 ) 而c 协码波长较短( 3 0 0 k m ) ，所以存在测距模糊度。测距变动量达到3 0 0 k m ，但如果已 知精确度高于3 0 0 k m 的接收机到卫星的概略距离，即可确定测距模糊度。 另外，由于保密性的原因，p 码是很难测得的，所以，一般的伪距观测是指对c a 码 的伪距观测。 得到伪距观测量及相应的卫星位置后，即可进行伪距定位。如果将接收机钟差作为未 知数，则共有4 个未知数，接收机必须同时也至少测得四颗卫星的距离才能解算出接收机 的三维坐标值。即： 岛= i x 。一咒) 2 + ( x l ) 2 + ( z 。一五) 2 十c f 。 p z2 ! 圣二墨! ：竖二兰! ：垦二圣! + 吒 ( z 5 ) 岛= ( 墨一以) 2 + ( e 一艺) 2 + ( 乙一乙) 2 + 吒 n = 托i i 万瓦i 再瓦j 了+ c 乙 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 式中t ( 置，r ，z f ) 是第f 颗卫星的坐标值，岛是卫星到接收机的伪距，( 墨，艺，z 。，f 。) 是 待求的接收机坐标。通常是将以上方程组用泰勒级数展开而线性化为一个线性方程组，迭 代求解。 2 1 3g p s 系统定位误差分析 g p s 是一个多纬导航系统，其每个变量都是一个统计的性能度量。导航系统一般遵循 已知的假定分布，大多数情况下，g p s 位置导航误差的正交分量都被设为高斯分布。 在g p s 定位测量中，影响测量精度的主要误差源来自于三个方面：与g p s 卫星有关 的误差，与信号传播有关的误差，与接收机设备有关的误差。误差种类如表2 1 所示：其 中卫星星历误差、电离层折射误差、对流层折射误差是影响g p s 定位精度的主要因素。 误差来源误差种类对距离的影响 g p s 卫星卫星星历误差、卫星钟差、相对论效应 1 5 1 5 信号传播 电离层折射误差、对流层折射误差 1 5 1 5 接收设备接收机钟差，相位中心位置误差 1 5 5 表2 1g p s 定位误差的种类及对距离的影响 通常可以采用适当的方法减弱和消除这些误差的影响：如引入相应的未知参数在数 据处理中与其它待求参数一起解算出来，然后再将其补偿掉、或建立系统误差模型，对观 测量进行修正，但误差总是存在的，只能想法提高其精度。据相关网上报道，伊拉克战争 时美国军方就提高了战场g p s 的精度，使得g p s 工作的精度达到了3 米之内，巴格达地 区g p s 精度达到了2 6 6 米；而相同的g p s 接收机在未采取任何措簏的情况下仅为十几米。 前面阐述了g p s 卫星定位各种误差的来源、影响与减弱方法。这些误差对g p s 卫星 定位的综合影响可用一个精度指标表示，即等效距离误差。所谓等效距离误差，也就是各 项误差投影到测站至卫星方向上的具体数值。如果认为各项误差之间相互独立，就可以求 出总的等效距离误差，可以作为g p s 定位时衡量观测精度的客观标准。 g p s 定位的精度除了取决于等效距离误差以外，还取决于地面接收机与高空g p s 卫星 空间交会的几何图形方案。 在测距误差一定的情况下，当观测点与卫星的几何图形不同时，定位误差的大小亦不 同。用户与卫星之间的几何关系对定位误差影响的大小，用几何精度因子来表示。 几何精度因子是一个直接影响定位精度，但又独立于观测值和其它误差之外的一个 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 量，其值恒大于l ，最大值可达l o ，其大小随时间和测站位置而变化，在g p s 定位时，希 望g d o p 值越小越好。 从而用户定位误差可表示为 盯。= m + g d o p ( 2 6 ) 式中d ，为用户定位误差，。为等效距离误差因子，g d o p 为几何精度因子。 由此可见要减小用户的定位误差，第一要尽量减小几何精度因子；第二要减小各卫星 的伪距观测量的误差。 几何精度因子实际上就是伪距观测误差的放大因子，对定位精度有重大影响。因此当 接收机能同时跟踪的卫星数较少，而可测的卫星数多于4 颗时，选择适当的4 星组合，减 小几何精度因子是很重要的。 2 2 l d g p s 定位技术 2 2 1 差分g p s 定位基本原理 d g p s ( 差分全球定位系统) 是利用g p s 系统通过一些设备和差分算法来提高定位精度 的系统。它的工作原理如图2 2 所示，是在一个精确的已知位置上安装g p s 基准站，计算 得到它能跟踪的每颗卫星的距离误差，该差值通常称为p r c ( 伪距离修正值) ，在有效区域 内，该差值可以认为同用户接收机所测得的误差近似相等。基准站将p r c 传送给用户接收 机作误差修正，从而提高用户接收机定位精度。d g p s 是克服s a 等干扰因素的不利影响， 提高g p s 定位精度的有效手段，可达至u 米级、厘米级的高精度。 图2 2 差分g p s 与相对定位原理示意图 目前根据差分o p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位分为三类，即：位置差 分、伪距差分( 包括_ 卡耳位平滑伪距差分) 和相位差分( 准载波相位差分和载波相位差分) 。这三 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对测量结 果进行修正，以获得精确的定位结果。所不同的是发送的改正数的具体内容不一样，其差 分定位精度电不相同，见表2 2 所示 方法技术难度 定位精度( m )作用范围( k m ) 备注 位置差分 很容易 士1 04 0 一般伪距差分容易 土54 0 相位平滑伪距差分一般 士o 64 0 广域差分很困难 士ll o o o 国家部署 准载波相位差分困难 士0 54 0 载波相位差分很困难 土o 0 51 0 表2 ，2 各种差分g p s 的比较 位置差分技术虽然简单，易于实现。但存在要求所有测站必须共视同组卫星的缺点与 不足，因此定位精度不高，目前该技术已很少使用。 伪距差分和相位平滑伪距差分是目前应用最广的一种技术，其原理基本相同，只是后 者在计算伪距改正数时利用了相位平滑技术，使定位精度提高到0 6 米左右，目前几乎所 有的商用差分g p s 接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r t c ms c 1 0 4 也采用了这种技术。由于伪距改正数的数据短，对设计数据链中的自动纠错码就容易得多。 这样保证伪距改正数的传输质量足够高，在限定的距离内误码率低，大大保证了伪距差分 的可靠性和实用性。与位置差分类似伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基 准站距离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分方法都是不能消除的。用户和基 准站之间的相对距离对精度有决定性的影响。 高精度的g p s 测量一般采用载波相位测量，r t k 定位技术就是基于载波相位观钡4 值 的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到 了厘米级精度。由于相位观测数据量较大，在传输过程中受干扰出现误码的概率较大，难 以全部纠正，因此这种厘米级定位技术在推广和应用中受到限制。针对这一问题，出现了 准载波相位差分技术，它通过基站发送伪距和相位改正数，使用户利用相位改正数进行点 位计算，精度可达分米级。 差分g p s 定位之所以能提高精度，在于两者之间的空间相关性，即通过差分技术来抵 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 消掉公共误差部分。但是，这种空闻相关性是随距离丽削弱的，因此定位精度也随离基准 站的距离远近而降低，要保证达到一定的精度，离基准站的距离不能过长，一般4 0 k m 为 限| 3 8 】。 2 2 2 逆向差分g p s 定位技术 在上节中论述的差分技术都需要在基准站和移动站上安装差分信号g p s 接收机，我们 称之为正向差分g p s 技术。还有一种比较经济实用的差分技术叫做逆向差分g p s ( i d g p s ) 技术。 逆向差分是指移动机器人将其接收的卫星定位数据和所采用的卫星编号发送回基准 站，基准站提取出移动机器人所收到的卫星编号后，根据基准站提取的星历和伪距对移动 机器人的位置数据进行校正。基准站观测天空中的所有卫星。移动机器人只需将自己的位 置数据和所观测卫星的编号发送给基准站，由基准站进行差分。这种方法的优点是移动机 器人( 移动站) 和基准站之间的数据传输量较小。 卫星到基准点的伪距为： p ( 女，f ) = c 一f ；) ( 2 7 ) 考虑到卫星钟误差和对流层、电离层的影响，有： p ( 女，t ，f ) = c ( 一c ) 一c ( 6 一5 c ) 一5 j d ，一西巧。 ( 2 8 ) 把公式代入得： p ( 七，- ，f ) = p ( t ，工f ) 一c ( 6 一彰) 一觏。一西 ( 2 9 ) 卫星钟差蟛= 口0 + q 一k ) + q 一r 肿r ，、q 、呸、c 、乞可由卫星星历得到a f 墨絮拦等等裔 i p ( 七，f ) = ( x 一弓) 2 + ( j ，一片) 2 + ( z 一) 2 、 。 利用上式进行单点定位，求出基准站的三维坐标( x ，y ，= ) ，其中x 、y 、z 隐含了电离层 和对流层的误差。 将解算结果和已知的基准坐标进行比较，求得坐标修正值 x = 一x ，y = y o y ，z = z o z ( 2 1 1 ) 利用修正值对移动机器人导航系统发回的坐标( ，蜘，靠) 进行修正，得到修正后的移 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 动站坐标为： 工；= x e + 缸，y ；= _ y r + 9 ，z ；= z r + z ( 2 1 2 ) 利用逆向差分技术必须满足以下条件：基准站g p s 接收机灵敏度要高于移动站的g p s 接收机灵敏度；基准站的g p s 接收机的通道数大于或等于可视天空中所有g p s 卫星数； 应该能够保证可同时观测到这些卫星。所以基准站的g p s 接收机天线要尽量安装在比较开 阔的地方，实时接收到的卫星能包含移动机器人g p s 接收机所能接收到的卫星，这样才能 进行逆向差分g p s 定位。 2 2 3 i d g p s 系统组成及相应算法流程 一个典型的i d g p s 系统是由三部分构成的，即基准站、d g p s 数据链和移动站，三者 之间的关系和数据流向如图2 3 所示： 基准 图2 3 i d g p s 系统组成框图 实际应用中，基准站应放置在三维位置精确已知的地点，主要由基准站g p s 接收机和 数据链路中的数据通讯设备构成，要达到较高精度并稳定运行，同时应该具备气象记录装 置、通信设施、计算机设施、存储设置和后备电源等。移动站亦由g p s 接收机和数据链路 中的数据通讯设备构成。具体的g p s 接收机选型见4 2 1 小节。 d g p s 数据链是一种用于做差分导航定位的无线电收发设备。d g p s 数据链发送的 d g p s 数据，是按一定数据格式编码的数据流。现行的d g p s 数据链一般都采用r t c ms c 一1 0 4 数据格式它是由国际海事无线电技术委员会1 0 4 特别委员会制定的d g p s 数据通 用格式，具有2 1 类6 3 种电文型式，其第类电文和第二类电文，是应用广泛而成熟的d g p s 数据格式。当然，r t c ms c 1 0 4 是一种通用的数据格式，但不是唯一的。具体应用参见相 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 关书籍。 逆向d g p s 算法的基本流程如图2 4 所示： f 葬卫星硬爵及】 真实距离 一。一一。 图2 4 i d g p s 算法基本流程 2 2 4 现有的国内外差分g p s 系统 随着对差分g p s 系统的研究不断深入，更多的厂商生产出了具有差分功能的g p s 接收 机，并利用这些具有差分功能的g p s 接收机构成了差分g p s 系统。 北京导航时代公司设计的n o v a t e l g p s 测量系统方案，采用加拿大n o v a t e l 公司的防 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 水型3 1 1 1 r g p s 接收机作为基准站和移动站，采用美国p c c 公司的防水型数传电台作为 数传设备，可进行动态测量，实时测量精度小于o 4 5 皿( c e p ) 。同时该方案中的g p s 接收 机在不需要更换任何硬件的情况下均可通过软件升级更高性能的产品，如3 1 1 l r 可以升级 为r t 2 0 r 或r t 2 。 南京市“l l o ”报警巡逻车g p s 监控系统，车载部分采用g p s 差分6 1 2 通道并行接 收机，内含g p s 接收板、调制解调器、处理板、电台等；控制中心由固定电台、g p s 接收 板、调制解调器、微机工作站、模拟显示板图等组成。定位精度在1 0 米左右。 在美国华盛顿州运行的m a y d a y 系统是一套使用g p s 技术来定位紧急报警车辆位置的 监控系统。该系统主要为大范围( 如高速公路上) 中出现紧急情况的车辆提供救援服务而设 置的。在监控中心，移动单元送来的没有校准的g p s 数据被进行差分校准，精度可以提高 到1 0 米以内。 在农业领域，浙江大学利用具有差分功能的g p s a g l 3 2 接收机构成的差分g p s 系统， 定位功能在分米级。 东南大学利用j u p i t e rg p s o e m 和n o 玎e l3l l1r 型d g p s 高精度汽车实验监控系 统，定位精度达到了3 5 米。 中南大学研究机构利用加拿大马可尼公司的s u p e r s t a rg p s 接收机构成的基于 d g p s 平面调车系统，实时定位精度达到了1 米左右。 虽然载波相位差分定位可以达到厘米级的定位精度，但是其存在模糊度问题，因此在 动态测量时是不适用的。在g p s 静态测量中，一般是通过较长的观测时间来加以求解的。 可通过与i n s 的结合，组成g p s ，烈s 组合导航定位系统，以i n s 为主，g p s 为辅，在飞 机中得到广泛应用。 般的差分g p s 系统需要建立基准站、在实际使用中可能会带来不便之处。而全球双 频g p s 差分定位系统则可以在没有基准站的情况下在全球任何地方得到实时的分米级的定 位精度。例如n a v c o m 的s t a r f i r e 系统。 s t a r f i r e 系统由五个部分组成：参考站、数据处理中心、注入站、地球同步卫星 ( t n m a r s t l 、用户站。 s t a r f i r e 系统有一套由双频g p s 接收机组成的全球参考站网络，这些参考站每时每刻都 在接受来自于g p s 卫星的信号。从这些参考站获得的数据被送到位于g a l i 如m i a 的r e d o n d o 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 b e a c h 和位于i i i j n o i s 的m o i j n e 的两个数据处理中心，经过处理后生成差分的改正数据。 这些差分改正数据通过数据链路传动到卫星注入站并上传至聃m a r s a t 同步卫星，向全 球发布。 当然随着美国政府对g p s 系统的整体改进，可以预计，在2 0 1 0 年差分g p s 接收机的 定位精度将比在现有的基础上提高一个数量级n 2 2 s 差分g p s 系统在移动机器人中的应用 实现对移动机器人的精确定位是本系统的一个关键因素，也是本系统方案可行性的基 础。如图2 5 所示： 图2 5 移动机器人导航示意图 假设a 点为基准站。b 点为移动站( 移动机器人运动点) ，c 点为移动机器人待探测的 目标点。显然当a 点的坐标已知的话，那么移动机器人从a 点出发，其坐标应当与a 点 坐标相同，当移动机器人运动到b 点，那么在b 点所测得的位置坐标必然与b 点的精确坐 标有一定的误差，当移动机器人在b 点通过其它传感设备( 如红外线扫描仪，车载摄像机 等) ，发现c 点这一待测目标时，就必须将c 点的位置坐标反馈给a 点，以利于遥控操作 系统采取必要的措施。从而我们可知当移动机器人用激光或者超声等其它设备确定目标位 置点c 时，定位所确定的移动机器人b 点的位置精度确定了对目标点c 定位的精度。也就 是说，i a b i 的值，即移动机器人b 点与a 点的相对位置才是我们最为关心的。 从以上的分析可以看出，在设计移动机器人导航定位系统时，由于在无s a 干扰的情 况下，动态单点实时定位精度p 码为l o m ，c a 码定位精度为1 5 m ，而由1 3 小节可知，课题 所研究的移动机器人长度为8 6 0 蛐，宽度为4 l o 哪，显然为了有效的跟踪移动机器人的运 行轨迹，实时定位精度必须保证在分米级，即由g p s 确定的误差椭圆的范围不能大于移动 机器人的车身长度，否则所测出来的定位数值将有可能达不到跟踪移动机器人的目的。综 合现有的各种g p s 定位方法，只有差分g p s 技术才能够保证移动机器人实时定位精度在 亚米级。 第1 7 页 田防科学技术大学研究生院学位论文 第三章移动机器人i d g p s r 组合导航定位系统 “公欲善其物，必先利其器”。随着科学技术的迅速发展，目前广泛应用于航空、航天、 航海和地面载体的导航系统各种各样，它们都有各自的特点与优点，但同时亦有各自的缺 陷。如i d g p s 容易受到外界环境的干扰，尤其是在高大建筑以及隧道、厂房等易受遮挡的 应用环境中，i d 3 p s 就无法满足定位要求两航位推算r ) 是一种典型的自主定位技术， 它在短时间内能够保持较高的精度，且其有效性不受外界影响，但该方法仅能确定相对位 置，其误差将隧时间而积累因此以适当的方法将不问的导航定位系统组合起来成为一个 组合导航定位系统，将能达到取长补短，综合发挥各种导航定位系统特点的目的，大大提 高系统的整体定位精度及导航性能。在这方面，羽d g p s 仍r 组合导航定位系统以其高耪度、 高可靠性和低成本而被誉为“黄金组合” 3 1 卡尔曼滤波方法的应用 3 1 1 卡尔曼滤波基本理论 一般说来，在解决工程技术闯题中，人们有必要精确了解工程对象( 滤波技术中称之 为系统) 的各种物理量值( 滤波技术中称之为状态。遗常为随机状态) 的数值，以便对工程 对象实现有效的控制，以达到一定的目的。为此则辩要对系统状态进行观测但是，观测 值并不能准确她反映系统的真实状态，其中通常含有多种随机误差( 或称之为观测噪声) ； 同时，限于观测方法，常常观测值并非与状态一一对应，观涌值可能是莱系统的部分状态， 也可能是部分状态的线性组合。为了解决系统状态的真值与观测值之间的矛盾，出现了种 种最优估计方法。最优估计是一种数据处理技术，它能将仅与部分状态有关的观测值进行 处理，得出从某种统计意义上讲估计误差最小的更多状态的估计值。估计误差最小的标准 称之为估计准则根据不同的估计准则和估计计算方法，有不同的最优估计。作为现代控 制理论发展过程中产生的一种堑要的最优估计技术，卡尔曼博士在1 9 6 0 年提出的卡尔曼 滤波具有以下二个特点： 算法是递推的，且使用状态空间法在时域内设计滤波器，所以卡尔曼滤波适用于 对多纬随机过程的估计。 采用动力学方程酃状态方程描述被估计量的动态变化规律，被估计量的动态统计 国防科学技术大学研究生院学位论文 信息由激励白噪声的统计信息和动力学方程确定。由于激励白噪声是平稳过程，也可以是 非平稳的，即卡尔曼滤波也适用于非平稳过程。 设给定动态系统的一阶线性状态方程和量测方程为 z o ) = f ( ，) ( f ) + g ( f ) 矽( f )( 3 1 ) l z ( f ) = p ) 肖( f ) + 矿( ，) 式中x ( f ) 为系统的( n 纬) 状态矢量；f ( ，) 为系统的( n n 阶) 状态矩阵；g ( t ) 为系统 的( n r 阶) 动态噪声矩阵；w ( t ) 为系统的过程白噪声( r 纬) 矢量；z ( f ) 为系统的( m 纬) 量 测矢量；h ( f ) 为系统的( n 阶) 量钡b 矩阵；矿( ) 为系统的( m 纬) 量测噪声矢量。 其中，卡尔曼滤波要求系统噪声矢量w ( t ) 和量测噪声矢量矿( f ) 都是零均值的自噪声 过程。 虽然工程对象一般都是连续系统，对系统状态的估计，可以接连续动态系统的滤波方 程进行计算。但是在实际应用中，常常是将系统离散化，用离散化后的差分方程来描述连 续系统。因为这样便于用计算机进行处理。 对方程( 3 1 ) 离散化，可得 以。q 卜一+ r “啊一t( 3 2 ) l 乙= 峨以+ k 式中：哦。为k l 时刻到k 时刻的系统状态转移矩阵( n x n 阶) ；珥表示k 时刻的量测 矩阵( m n 阶) ；一。表示为k 一1 时刻的系统噪声矢量( r 纬) ；r 。为系统噪声矩阵( r n 阶) ， 它表示由k 1 时刻到k 时刻的各个系统噪声分别影响k 时刻各个状态的程度：以为k 时刻 的m 纬量测噪声矢量。 根据卡尔曼滤波的要求，假设： 坼，= o ，l ，2 ，) 和 攻，女= o ，1 ，2 ，) 是独立的均值为零 的白噪声序列。即它应该满足： 甯二三；兰嬲寰；磊榷瑚 n 。， i e = o ；e 哆 = r ； 。【1 ( 2 ) 式中：幺为系统噪声序列的方差阵，为非负定阵：r 。为量测噪声序列方差阵，为正 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 定阵。常规卡尔曼滤波方程为： x 一i5 中 一l h i ，、 x 女= x 娜一t + 足t l 乙一巩x 蛐一，j 巧= 只肛。爿：( 巩只卜。研+ r ) - 1 e 肛。= 中一】只一，m ；+ r 。g 一。r _ 1 只= ( i 一墨以) 只。， ( 3 4 ) 在一个滤波周期中，从卡尔曼滤波在使用系统信息和量测信息的先后次序来看，卡尔 曼滤波具有两个明显的信息更新过程：时间更新过程和量测信息更新过程。 应用卡尔曼滤波器进行最优估计( 滤波) ，需建立较准确的系统模型和观测模型，因而 不但要对运动载体建立准确合理的动态模型，而且要对各种误差准确的建模【9 l 口 3 1 2 卡尔曼滤波方法在l d g p s 系统中的应用 无论是g p s 系统还是i d g p s 系统，其在某一点的测量数据具有随机游动性，在静态 测量时，这种随机游动性可以通过相应的数据处理软件加以消除。在动态测量时，虽然移 动机器人的最高运动速度为1 4 州s ，在这种条件下g p s 的动态测量与静态测量的本质是一 样的，但对于每一点的测量数据，不可