（精密仪器及机械专业论文）GPSDR信息融合方法及其应用.pdf

东 南 大 学 硕 上 学 位 论 文 摘要 近年来， 车辆导航和定 位技术越来越受到人们的 普遍关注。 城市车辆 g p s定位容易 被遮挡， 导 致g p s 无法正常定 位。 在香港特区， 特别是香港岛的 湾仔及铜锣湾、 尖沙嘴街区，由于 楼群高 而且密集， 这种现象特别严重。 针对香港特区的 特殊环境， 我们采用g p s / d r i m m i d b t 综合定位方 法，较好地解决了这一问题。 本文系统研究了 面向 车辆导航的d r 算法、 面向串口 通讯的 编程以 及车载g p s / d r / m m / d b t 综 合定位的 方法及其实际应用。 具体工作如下: 1 )分析了g p s / d r / m 1 / d b t 车辆综合定位系统。 主要介绍了g p s 的组成和定位原理、多径 效应的原因、 航位推算的 基本原理、 地图匹 配和d b t 的定位方法。 2 ) g p s / d r 信息 融合方法。 主要 介绍了g p s / d r 之间的 信息切 换、 g p s 野点的 剔除、 d r 的拟合和综合定位系统定位精度的评定方法。 3 )车载组合定位系统的 数据采集。 主要介绍了 数据采集的串口 通讯程序的 编写和针对 o b u数据格式的电 文处理。 4 )实验数 据与结 果分析。 主 要介绍了g p s i d r , d g p s / d r的 数据 融合效果、 g p s i d r 信 息切换和几个特殊问题的处理。 本文所述方法己嵌入到 g p s / d r / mm / d b t综合定位系统软件，并成功的应用于香港消防署 8 0 0 辆消防车的车载定位口 关键词:全球定位系统 航位推算 地图匹配 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 ab s t r a c t m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n h a s b e e n p a i d t o t h e d e v e l o p m e n t o f t h e v e h i c l e n a v i g a t i o n 飞 函 日期:2 0 0 3 年元月 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 关于学位论文使用授权说明 东南大学、 中国科学技术信息研究所、 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借 阅， 可以公布( 包括刊登 ) 论文的 全部或部分内 容。 论文的公布( 包括刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 签名 :演声 导师签名:日期:2 0 0 3 年元月 东 南 大 学 硕 十 学 位 论 文 第一章 绪论 1 . 1引言 全 球定 位系 统( g p s ) 是 美国国 防部 研制的 第 二代卫星导航与定位系统。 它能为 全球的用 户 提供全大候、 连续、实时的高精度位置、 速度和时间信息。 在信息需求日 益增l 的现代社会， g p s由于能够全球覆盖、全天候、连续实时提供高精度三维位置、三维速度和时间信息的能 力，在军事、民用方面都得到了越来越广泛的应用。 如今， 城市g p s 车辆定位己 成为其重要的 应用方向 之一。 在城市中，由于受到树荫、 高 楼等的遮蔽， g p s的定位常常受到 影响， 严重的 地方， 根本无法正确定位， 这一问 题在香港 特别行政区中表现的尤为明显。 1 . 2课题的目的和意义 目 前， g p s定位技术除了 广泛应用于飞机和水面船只的导航定位外， 在陆地车辆导航定 位系统中也获得了 越来越广泛的 应用。随着我国公路建设和汽车工业的飞速发展，车辆的 实 时导航和监控越来越受到人们的普遍关注， 其中车辆实时位置的确定是车辆导航与监控系统 中的关键技术。 随着对定位精度和系统成本的 要求进一步提高，目 前车辆导航引入了 更多的组合导航手 段。基于g i s ( 地理信息系统) 的g p s / d r / m m组合导肮技术是车载导航的一个重要研究方向。 g i s ( g e o g r a p h i c i n f o r m a t io n s y s t e m ) 是 六 十年代中期发 展 起来的， 集空间 科学、 信息 科学、 计 算机科学、 管理科学于一体的空间信息系统。 d r ( d e a d r e c k o n in g , 航位推算) 主要应用于车 辆定 位系统中。 车辆定位系统在大多 数情况下使用g p s 都能达到预想的 精度。但是随 着应用 范围的不断扩大， g p s渐渐暴露出了 它的 不足。当 车辆行驶在城市高楼区、林荫道、 隧道、 立交桥下等区域时， 常出 现g p s卫星信号被遮挡或多 径效应问 题。当接收到的卫星数目 少于 4 颗时，g p s 接收机就无法正常定位，或者受多径效应的影响，导致定位精度很差。d r算法 可以 很好 地拟合汽车的 轨迹， 提高 综 合定位 精 度。 m m ( m a p m a tc h in g地图匹 配) 根据电 子地图 的 道路属性将车辆的行驶轨迹匹配到道路上， 从而更准确地、 直观地显示车辆的 位置。 象香港特区， 特别是香港岛的湾仔及铜锣湾、 九龙、尖沙嘴街区，由于楼群高而且密集， 道路之间的距离仅隔四、五十米，这些街区g p s 接收机经常在 1 0 分钟甚至2 0 分钟内收不到 信号。 而一般低成本的d r 也很难实现长时间无g p s 定位， 而用m m方法虽能辅助d r 定位， 但当d r 提供的位置误差过大， m m定位也难以 保证精度。因此，在这些街区还采用了 地面信 标定位 ( 简称 d b 下 ) 。以上四个定位手段，组成了 适合于香港特区车辆综合定位系统，即 g p s i d r i m m i d b t 综合定位系统。 1 . 3车辆导航技术的发展、 现状及趋势 车辆导航定位系统是进入九十年代以后迅猛发展的一项技术。近年来.随着车辆数量的 日 益增多， 如何在城市里有效地指挥、 管理公共服务车辆和一些特种车辆，已 成为交通运输 部门和城市 规划部门面临的一个重要问 题。于是车辆导航定位系统更加受到人们的 关注。 随着计算机、 通讯、电子、 信息等技术的迅猛发展，在过去的十年中， 现代车辆定位和 导航系统已经有了很大的改进。 最近的研究表明， 2 0 0 0 年安装了g p s 接收机的车辆导航系统 的销售额由1 9 %年的5 亿美元增长到3 0 亿美元，并且这种趋势还将继续下去。在这种市场 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 的诱惑下， 世界各国对车辆导肮和定位技术展开了 大量的 研究。 近年来， g p s技术正向军民 两用方向 发展， 应用领域不断扩大和深入，已 渗入人类经济发展的各个领域。 美国 g p s 产业 协会 ( u s g i c ) 提供的 市场调杳和预测表明， g p s 市 场目 前己 有相当 规模， 将来会更 加 扩大。 在 车辆导航、 个人用户、跟踪定位、 测绘、探矿、地震、 气象、 制图、 航空、 航海、军事等方 面， 近几年市场增氏 率高 达 5 0 % 。 其中， 车辆导航领域的市场份额最大， 增一长 最快。全世界 用于车辆导肮的投资约占当 年市 场销售总额 1 / 3 以上。 从国际智能交通管理和汽车电子技术展 览会上看， 各发达国家的 主要汽车厂商均加快了 汽车导 航设备的研制、开发速度。 奔驰、 宝 马、雷诺、 大众、依维柯、 丰田 等都陆续宣布将在高档汽车上安装导航设备。目 前国际使用 车载导肮设 各的车辆达5 0 万辆，占 汽车保有量的比 例不足0 . 1 %, 2 0 0 1 年将达到2 0 。 万辆， 市场发展极具潜力。1 9 9 4 年我国民 用汽车保有量为9 4 2 万辆， 1 9 9 5 年为 1 1 0 0 万辆， 1 9 9 6 年为1 2 5 0 万辆， 年增长1 4 %以 上。目 前我国汽车g p s 导 航系统处于刚刚萌芽阶段， 特种车辆 的g p s导航设备和应用系统需求最为迫切。各有关部门将在运钞车、急救车、公交车、巡逻 车、 迎宾车、 囚车等专门 用途的车辆上采用g p s 实现全过程监控、引导和指挥。 相对于欧美、日 本等国， 我国 开始研究现代车载导航系统时间也并不算晚， 9 0年代初国 内若干高校、科研院所和一些公司都展开了这方面的研究，但是成熟的产品鲜见报道。 目 前国内外对车辆导航定位系统的研究主要集中在以下儿个方面: 1 ) 驾 驶心理和驾驶模式的 研究。 车辆导航系统的 最终用户是驾驶员， 一个成熟的 产品 应该是面向用户需求的。 驾驶心理和驾驶模式的研究有助于研制人性化和智能化导 航软件，同时也有助于建立车辆的动态模型; 2 ) 车辆动态模型的研究。 车辆导航系统中多 传感器参数的融合往往需要一个合适的车 辆动态模型，以便为位置信息的数据处理提供有效、可靠的数学模型; 3 )面向 车载导航系统的g i s 研究。这一研究内 容涉及到分析地图导航数据库的结构、 数字地图快速生成和更新方法、数字地图对导航系统精度的影响等; 4 ) g p s / d r综合系统的研究， 滤波方法的研究: g p s / d r组合定位是最常用的车辆定 位方式，这种研究有助于地图匹配后续算法的实现，提高系统的精度。 5 ) 综合定位地图匹配算法; 地图匹配算法可以 有效地消除定位误差中的趋势误差， 道 路定位网 络的某些先验知识可以 辅助车辆定 位。 6 ) g p s / d r / m m融合方法的 研究; 这种融合的 意义在于定位信息的走向 将不再是一个 开环单向的信息传递过程， 系统的不同 环节 之间 将可以 信息共享， g p s / d r组合定 位可以 增加地图匹配的 准确性和鲁棒性，同 样地图匹配的结果可以 修正传感器参 数， 修正g p s / d r组合定位系统的模型参数。 7 ) 远程监控和调度以及基于w e b 的车辆监控. 车辆的远程广域监控和广域导航是车辆 导航技术和 i n t e r n e t 技术结合的革命性应用， 必将在未来的车队管理、 交通控制甚 至军事领域得到广泛的应用。 高技术产品的前提之一就是产品的高度人性化， 车辆导航中驾驶员的驾驶心理对于人身 以 及车辆安全有着极其重要的影响， 理想的车辆导航软件应该不会干扰驾驶过程， 并且应该 最大程度地迎合驾驶心态、最大程度地方便驾驶人员的操作。如何将多通道人机接口 ( h c i-h u m a n - c o m p u t e r i n t e r f a c e ) , 多 媒 体 技 术 充 分 应 用 到 车 辆导 航 系 统中， 将 语 音识 别、 自 然语言理解技术以 及多媒体技术结合起来建立可视化、 人性化、 操作方便的导 航软件将是 车辆导航系统的一个非常重要的发展方向。 在国内，东南大学在这方面的 研究处于领先地位。 其研究成果已 经应用于多项工程实践 中。 本论文的主要研究内容来源于东南大学、成都天奥科技公司合作承担的 香港消防署第三 代调派系统之车载定位子系统工程项目 。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 . 4主要研究内 容 在车载组合定位系统中， 提高精度的关键技术之一就是提高数据采集的质量及信息融合 技术。数据采集是整个组合定位系统的输入，通过对原始数据的处理，经过融合后的数据用 于 地图匹配，以 便得到更好的定位效果。 通过g p s / d r 的数据融合技术处理后的数据， 提供尽 可能准确的车辆定位轨迹，这对h 9 1 的精度有着重要的影响。 在我校与成都天奥公司 合作承担的香港消防署第三代调派系统之车载定位系统中， 通过 对数据采集和处理的研究，最终为x 0 1 1 提供可靠的原始数据，为满足 1 5 分钟无g p s 定位误差 在2 0 m 以内的精度要求奠定基础。 本论文的主要内容由以下几部分组成: g p s / d r / m m / d b t 车辆综合定位系统简介。主要介绍了g p s 的组成和定位原理、 多径效 应的原因、 航位推算的基本原理、地图匹配和d b t 的定位方法。 2 g p s / d r 信息融合方法。 主要介绍了g p s / d r之间的信息切换、 g p s 野点的 剔除、 d r 的拟合和综合定位系统的评定方法。 g p s / d r组合定位模块的软件设计。在车辆导航或车辆监控系统中，定位单元是最基 本的部分。 单独的g p s定位在遮挡严重的区 域不能保证定位的 连续性， g p s / d r组合定 位单 元将弥补这一不足， 并把定位结果作为地图匹配 ( m m) 双方的输入， 这样进一步保证了综合 定位的精度。 对实验数据进行分析和研究， 进一步提高精度。 对实验数据的分析是进一步提高精度 的关键。在整个实验过程中，首先就是要发现问题，即发现错误的数据。从理论上对错误数 据的分析从而找到错误的原因，并进一步在算法上加以改进，从而得到满意的效果。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 第二章 g p s / d r / m m / d b 下 车辆综合定位系统简介 2 . 1引言 随 着车辆定 位精度要求的日 益 提高， 单一定 位方 法己 经不能满 足这种高 精度的 要求，利用 综合方法导航也成为必然的手段。针对香港复杂的街区环境，我们采取了 g p s / d r / mm i d b t 车辆综合定位模式。 g p s / d r / m m i d b t 定位系统由g p s , d r , m m, d s t四个部分组成。 g p s 接收板提供原 始的g p s 数据， 但当高楼等建筑物遮挡导致g p s 定位失效时， 用d r进行轨迹推算实现定位。 随着d r递推时间的延长， 误差增大， 这时使用地图匹配 ( mm) 技术进行补偿。 在一些复杂 的路段， g p s / d r / m m定位仍不能满足其定位精度，这时需要在这些路段安装d b t装置，消 除误差。本章详细介绍了 g p s / d r / mm/ d b t综合定位系统各部分的织成及宁价原3 1 1a 2 - 2 2 . 2 . 1 g p s 定位系统1 2 (3 ( 16 17 19 (2 0 1 g p s 的组成 g p s 包括三部分组成: ( 1 ) g p s 卫星 ( 空间部分) g p s空间卫星星座由24 颗卫星组成，这些卫星分布在6 个轨道平面内，每个道上4 颗 卫星。由于卫星分布的原因，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4 颗， 最多可达1 1 颗。 卫星如此配置可以 保证在地球上的任何地点、 任何时刻均至少可以同 时 观察到4 颗卫星，从而保证了完全定位的可能。 由 于g p s 定位采用被动定位原理， 星载高稳定度的频率标准是精密定位的 关键。因 此每 颗卫星均装有4 台高精度原子钟， 为g p s 测量提供了高精度的时间标准， 是卫星的核心设备。 g p s 卫星的基本功能是: 接收和存储由 地面监控站发来的导航信息， 接受并执行监控站的指令。 卫星上设有微处理机， 进行部分必要的 数据处理工作。 通过星载高精度艳钟和枷钟提供精密的时间标准。 向用户发送导航与定位信息。 在地面监控站的 指令下， 通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 ( 2 )地面支持系统 ( 地面监控部分) 工作卫星的地面支持系统包括1 个主控站、3 个信息注入站和5 个监测站。 主控站设在科罗拉多州。主控站的主要任务是: 主控站采集本站和其他监测站的数据， 经过计算， 再按一定的 格式编辑为导航电 文， 传送到注入站。 提供g p s的时间基准。 调整偏离轨道的卫星，及时将其调整到预定轨道，使其发挥正常作用。 提供诊断功能，启用各用卫星代替失效的卫星 ( 3 ) g p s 接收机 ( 用户部分) 上述两火部分都是由 专门 机构投资建立、维护和运行的。 一旦工作， 它将昼夜不停的发 送导航定位信息。 这是一种可供无数用户共享的信息资源。因此，世界各国的企业公司都相 继推出了各种类型的接收机。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 图2 - 1 g p s 接收机结构示意图 用户设备的 主要任务是接收g p s 卫星发射的 信号，以 获得必要的导航和定位信息及观测 量， 并经数据处理完成导航和定位的 工作，它的简化原理框图 如图2 - 1 所示。 接收机的工作过程如下: 选择卫星: 从卫星星历中 选择几何关系最好的4 颗星。 若接收机刚投入使用， 还没有这种 数据，则需搜捕卫星信号。 搜捕和跟踪被选卫星信号 获取粗略伪距并进行修正 定位计算 2 . 2 . 2 g p s 定位原理 在g p s 定位中， 通过比 较接收到的卫星发射的 信号和本地参考信号。 测量传播延时。 若 卫星时钟和用户时钟同步，即两时钟同频同相，或已 知相差，那么测得的延时公 正比于卫星 和用户间的距离r , r =c - z( 2一1) 其中c 为电波传播速度。 若 用 户 钟 和 卫 星 钟 有 钟 差 t ， 这 时 测 得 的 传 播 延 时 a 及 相 应 的 距 离p 并 不 是 真 正 的 电 波 传播延时r 及卫 星到用户的 距离r ， 此时p 称为 伪距， p= r + c - 4 t( 2一2 如钟差 t = 1 0 n s , 度较差的石英钟， p ; =r , 十c 相当于距离误差为3 m 。卫星钟一 般为精密的原子钟， 而用户钟一般是精 此时用户测得的对第i 颗卫星的伪距为: . a t (2一3) : 一 1(x 一 ， 5 y + 。 一 ， 5 )2 十 (z 一 : 5 洋 式 中x , y , z 和x . + y s z s 分别 是 用 户 和 卫星i 在 地 球 坐 标 系中 的 位置 坐 标。 显 然， (2一4) 测量的伪距 中 有四 个 未 知 量， 即x , y z , a t。 为 了 解出 四 个未 知 量， 需 要 测 量 到四 颗卫 星的 伪距， 由 此 得到四个独立方程: 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 、 一 l(x 一 : : ) 、 。 一 ， 卜 。 一 : ， )2 r 、 。 ，。 (2一5 式中， - 1 , 2 , 3 , 4 。 联立求解四个方程可得四个未知量，从而得到用户位置坐标。 通过测量电波载频的多普勒频移而获得的伪距变化率，从而建立起另外四个方程，即 p, =。 一 x s; ; 一 ; ) 。 一 y r, ; 一 ; 5 。 一 二 戈 z- 艺“ ) i(x 一 二 : )z + (， 一 ， : )z 、 (: 一 : 。 )2 下 + c o t( 2一6) 式中i = 1 , 2 , 3 , 4 ;解上述联立方程，便可得用户的三维速度。 2 . 2 . 3 d g p s 简介 d g p s 即 差分g p s ， 是一种用于提高g p s 定位性能的 技术。 一台本地g p s 基准接收机 ( r r ) 能 够计算出 它与其附近一定范围内的 其它g p s 接收机所共有的某些误差 ， 并 将这些误差 的 修正信号播发出 去 ， 从而能从用户的 位置测量信息中 消除这些共有误差。因此能够达到提 高定位精度的要求。 差分g p s 的优点是，p 码用户采用差分方法可获得比 绝对导航方法高 3 倍的 精度。 对于 使用c / a 码接收机的民用用户 ， 精度改善更为明显 ， 可在局部区域内消除sa的影响。 在正常情况下， d g p s 的 定位精度高于g p s 的定位精度。 但在香港这种特殊地理环境下， 由 于受多径效应影响，d g p s的定位精度比g p s 定位精度要低。 2 . 2 . 4多径效应 电 波传播方式除了直射波之外，还需要考虑传播路径中各种障碍物和高大建筑及物体所 引起的散射波。卜 图是假设移动信道传播环境中有一个高大建筑物时，电 波传播路径的示意 图 2 - 2 . 基 地 站 发射端 图2 - 2多 径效应示意图 如 图2 - 2 ， 移 动 台 接 收 信 号 的 电 波由 直 线 波a 、 地 面 反 射 波a ， 和 高 大 建 筑 反 射 波a 2 构 成 。 高大建筑所产生的反射波一般称为散射波。假设直射波的 传播距离为d， 地面反射波的 传播 距 离为d , ， 高 大 建 筑散 射 波的 传 播 距 离 为d 2 。 实际移动信道中，由高大物体和建筑而构成的散射体很多， 所以接收机所接收到的信号 是由多个路径传播的电波所合成的，这就是移动通信中无线电波在传输过程中的多径效应。 这些来自 不同 路径的信号将因为传播路径的不同而在接收点具有不同的相位， 有些信号将与 东 南 大 学 硕 十 学 位 论 文 直线波同相相加， 而有些路径的信号将与直线波反向 抵消， 因此在接收点将对接收信号形成 干涉场，从而使信号的包络幅度产生深度且快速的衰落。 其快速衰落的衰落深度可达 3 0 - 4 0 d b。 移动通信中 接收机往往受到各 种障碍物和高大物体建筑其他移动体的影响，以致到达移 动台的信号是来自 不同 传播路径的信号之和。由 上述的讨论可知 ， 移动通信中电 波传输的多 径效应， 将对所传输的 信号在频率上产生频率选择性的衰落影响。 起影响的结果是限 制了 所 传输信号的频率带宽。当 所传输信号的频率带宽大于相关带宽时， 所传输的信号 将发生明 显 的频率失真。为 避免这种失真，必须限 制所传输信号的 频率带宽小于相关带宽。这就是移动 通信中的多径效应对所传输信号的影响或限制。 一般 c i a码 g p s接收机接收到的 g p s卫星发射的 l l 频段的载波信号， 其频率为 1 .0 2 3 m h z 。 这种微弱的 调制信号最受建筑物的 遮挡， 也容易产生多径效应。 具体表现在以 三个方面: 1 )受高 层建筑影响， 选星范围 变小， p d o p 增大，定位精度降低。 据测算， 在一个宽为 5 0 m 、两侧有高5 层的建筑物( 约1 5动的道路上，车载g p s 定位系统在道路两侧所 能跟踪到g p s 卫星的最低高度角为3 0 0 ， 在这样小的选星范围内， 同时能跟踪到四颗 以上卫星是非常困难的。 2 )在浓密的 树荫下， g p s 接收 机的信号强度降低， 有时 甚至中断。 据b r o w n 等人对各种 g p s 接收机在浓密的树荫下的定位性能进行了实际测试， 发现大部分接收机都难以 确 保定位结果的准确性和连续性. 3 )多路径效应的影响更复杂。 城市g p s 车辆定位系统受多路径效应的影响是非常复杂 的。这是由于车顶上的gps 天线不能过高，比如在交通拥挤的街道上， 小汽车上的 g p s 天线接收的 卫星信号会包含旁边大汽车或楼房折射过来的微弱信号( 如图2 - 3 所 示) ，这种多路径引起的定位误差有时会严重影响导航系统的定位性能。 gp s 卫 星 图2 - 3城市车辆定位的多路径效应 g p s 的上述特点在高层建筑较多、 街道两旁树荫稠密、 高山 环绕的大中 城市尤为突出， 在 这些城市单独使用g p s 定位系统， 其定 位精度无法得到保障， 即使采用差分方法也无能为力。 在南京由于树阴的遮蔽在一定路段会影响 g p s的定位精度，但影响并不大。而在香港特别行 政区，由于高楼大厦林立尤其明显。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 . 3航位推算的基本原理a 5 c o s a , y ( n ) = 其 中 x o .几为 初 始 时 刻 车 辆 所 在 位 置 ; s ， 与a ; 角。 y o 十 为从 ( 2 一 7 ) i 一 1 时刻到i 时刻车辆行驶距离和航向 具体算法如下: 第一步: 位置、方向初始化: x( k ) = x o y ( k ) = y o a=a , x o . y o 为 初 始 状态，a 。 为 角 度 初 始 角， 在 一时 刻 推算 第二步: 用距离和角度来推算位置: (2一8) 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 x( k + 1 ) = x( k ) + 4 d c o s a y ( k + 1 ) =y ( k ) + a d s i n a x ( k ) = x ( k + 1 ) y ( k ) = y ( k + 1 ) 其中 a d是第n 一1 到n时间的距离变化量。 a = a s + f ( k , , p , p . ) (2一9) (2一 1 0 k 。 为 陀 螺 仪的 角 度参 数， 尸为 当 前 时 刻 的 陀 螺 仪 脉 冲 数， p o 为 静 态时 刻的 陀 螺 仪 脉 冲 值。 第三步: 将a 替 代a o a o =a 重复第二步。 由以上步骤可以看出: 1 ) 航位推 算需要实时得到 距离的 变化量s和a , (2一1 1 2 ) 航 位 推算 需 要 通过 其 他 手 段 得 到 初 始时 刻 的 位置x o , y o 和初 始 航向 角。 。 ; 3 ) 轨迹推算是一个累加的过程，因为不同时刻的测量误差和计算误差都会累积起来， 所 以随着时间的推移，轨迹推算的误差是一个发散过程。 由前面可知，航迹推算系统基本由 测量航向角的 传感器和测量距离的传感器构成。 测量 航向 角的 传感器主要有磁罗盘、 差动里程仪和角速率陀螺。测量距离的 传感器主要有加速度 计或里程仪或多普勒雷达。 主要从成本、 应用环境、 现实条件等方面考虑，一般采用角速率 陀 螺和里程仪组成航迹推算系统。 陀螺输出航向角的角速率信息， 将陀螺输出的角速率信息积分可以 得到载体的相对转角。 对于陀螺影响较大的误差主要为陀螺的常值误差和陀螺的漂移误差。常值误差的产生主要是 由 于陀螺在静止的情况下存在着输出的 常值偏移 ( 零偏) ， 因此在实际工作中， 应该将陀螺的 常值误差补偿掉。但是实际上，陀螺的零偏不易准确地得到补偿，同时陀螺的零偏随着外界 的环境而改变。因此当陀螺的零偏补偿不好时，经过多次积分，陀螺的转角误差是一个累积 的过程，这表明单独长时间的使用陀螺是有较大误差的。但是由于在短时间内，陀螺的零偏 相对变化较小，进行补偿后，陀螺测量的转角积累误差比较小，所以 在短时间内陀螺的精度 是较高的。陀螺输出的载体的相对转角可以 表达为 b二b + 貂 (2一 1 2 其中口为 载体 相 对转角，6 b 为 随 机 误 差 项， 可 用 一 阶马 尔 可夫 过 程 来描 述， 即 = 一 : , .凡十 田 (2 口 为 均 值 为 零 ， 方 差 为 4 e, 的 高 斯 白 噪 声 ， 气是 相 关 时 间 常 数 的 倒 数 。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 如今，由 于各种现代导航系统的 ( 如无线电导航系统、卫星导航系统)应用范围的日 益 成熟，人们常常忽略航位推算的重要性。但是，目 前角度 ( 方位) 传感器亦越来越小型化、 低成本，而相应的电子器件的成本也大大降低，这大大推动了航位推算这一传统方法的应用。 2 . 4地图匹配 ( m m )定位方法 13 4 2 1 2 9 3 0 3 11 g p s / d r 综合定位系统虽然弥补了g p s 信号容易中断的不足， 但是， 由于d r 中的陀螺仪方 位误差会随着定 位时间的 延长 而增大，当g p s 信号中断的时间 过长时， d r 推算的 位置精度会 人大降低，最终导致显示在地图上的车辆位置出现 “ 上房” 、“下 河”现象。对于某些定位精 度要求很高的 特殊车辆， g p s / d r的定位精度仍然不能保证汽车位置始终准确无误的显示在地 图上。 有了电 子地图， 车辆的位置就可以 显示在电子地图上， 同时， 电子地图也可以 检验g p s / d r 定位结果的 准确性， 进而， 用电子地图中的道路属性为g p s / d r 定位单元提供准确的辅助信息， 借助这些辅助信息， 对g p s / d r 定位结果进行必耍的修正， 使车辆的位置准确的 显示在电 子地 图 上，这一技术即为地图匹配。 地图匹配的研究内容主要集中在地图导航数据库的建立和地图匹配算法的改进。下面分 别就这两部分加以介绍。 2 . 4 . 1 地图导航数据库的建立 地理信息系 统( g i s -g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ) ，国 外亦称为 地学 信息 系统， 是一种以采集、存储、管理、显示、分析、描述和传播整个或部分地球表面与空间地理分布 有关数据的 空间 信息系统。 g i s 是六十年代中期发展起来的， 集空间科学、 信息科学、 计算机 科学、 管理科学于一体的空间信息系统。 应用 g i s的 数据库和工具，实现电子地图系统， 可 以节省软件开发的人力、 财力、缩短建立系统的周期，提高系统的技术水平。 地理信息系统以 数据来描述自 然世界和各种社会现象， 从而满足人们的各种需要。数据 是地理信息系统的直接参与因子，也是能唯一发生变化和被操纵的对象。地理信息系统的各 项活动都离不开数据。 随着计算机技术、 测绘技术、 制图 技术的迅速发展， g i s 成为越来越重要的管理和决策工 具。一般g i s 的特征如下: 1 ， 包含大量的地理和属性数据。 2 . 包含很多不同的数据类型和格式。 3 .包含很多的数据层，这些层来自 不同的数据源，而且具有复杂的关系。 4 . 必须能 解决特定问 题， 并提供迅速的 交互响应。 在整个集成系统中， g i s 有着重要的作用。 对数字化的数据进行输入、 存储、 编辑是g i s 系统最基本的功能。具有数据的查询和检索功能， 对数据做空间分析和属性分析，这一功能 是 g i s在集成系统中所发挥的主要功能。可实现数据的可视化，将数据库中的数据或分析的 结果用与现实世界中人们普遍能接受和理解的方式显示给用户，这也是 g i s在集成系统中所 发挥的主要功能。 2 . 4 . 2地图匹配算法 地图匹配( m m -m a p m a t c h i n g ) 将已 知车辆行驶路线的 数学特征与地图数据库中道路的特 征相比 较， 从而直接或间接 ( 例如通过卡尔曼滤波) 确定车辆的位置和行驶轨迹并校正传感 器的误差。 1 m的 前提是假设车辆是行驶在道路上，而且与 定位有关的道路数据已 知。 其定位精度取 决于数字地图的精度。 该方法的示意图见图2 - 5 。 在图2 - 5 中， 当车辆驶过交叉路口越远， 拐到 路r : 行驶的 概率越小;当 这种概率下降到一定程度后， 就可以 确定路r 作为车辆正确的 行驶 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 道路，同时可以校正航位推算的误差。 原始位置 r: 速度更正后的位置 图2 - 5地图匹配示意 将地图匹配引入车载导航系统的意义在于: 1 )可以提供可视化的导航效果，不管是g p s 单独定位、d r 单独定位，还是g p s / d r 综 合定位，定位系统的误差是不可避免的，此外数字地图存在一定的误差，因此在不 存在地图匹配的前提下，车辆的位置通常都要偏离道路对应的位置。 2 )可以 提高导航定位系统的 定位性能， 在直线道路上地图匹 配算法可以 有效消除道路 法向上的随机误差，当车辆运行在交叉路口 进行拐弯时或车辆运行在曲线路段时， 地图匹配算法可以消除系统的累积误差( 见图2 - 6 ) 0 l , : 上一 时刻绷丈 的 路 线( d r 求得) 场: 当 前 1 立 置 经 过的 路 线( d r 求得) r , : 上 一时 刻的 经 过的 路 线 ( m m求 得) 凡 当 前时 刻的 0i生 的 跨 线 ( m m求 得) p , : 1一 时 刻的 位 置 ( d r 求得) p z : 当 前时 刻的 位置( d r 求得) p , : 上一 时 刻的 位置 ( m m求 得) p z , : 当 前 时 刻 的 位置( m m求 得) e :上一时亥 味纠正的ir 差 图2 - 6利用地图匹配消除定 位误差 3 )可以 实时校正传感器参数以及航位推算系统系统参数，在城市高楼区， 林荫道，立 交桥， 隧道极有可能长时间g p s 定位功能失效， 此时必须依赖d r 系统进行定位， 通 过对传感器参数的不断校正，可以有效减少由于算法缺陷带来的累积误差。 4 )地图匹配是车辆导航系统实现路径诱导 ( r g )的必要条件。车辆进行最优路径规划 和发布实时导航指令都要依赖于地图匹配的结果。例如， 要求当前点到某一终点的 最优路径首先要知道当前点的位置，在哪个路段。同样对于路径诱导，要发布导航 指令如左拐、右拐、到前方多少米处拐弯都依赖于当前位置及当前路段。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 . 6 g p s / d r / t w i / d b t 综合定位方法4 5 2 2 3 2 3 3 1 正如前面的分析，我们可以知道航位推算是一个累加的过程。由于这种累加会把不同时 刻的测量误差和计算误差都累积起来，所以随着时间的推移，航迹推算系统的误差是一个发 散的过程。 g p s导航定位系统是一种全天候、以 无线电通信为基础的卫星导航系统。它可以 为用户精确的定出 三维坐标、 三维速度和时间。 现在差分g p s 提供的精度己 经可以 达到3 - 5 m , 完全满足车辆导航的精度。但是，由于在城市高建筑群中或穿过立交桥，树阴 f h 寸 ，常常会 出现g p s 信号遮挡的问题，导致g p s 不能正常定位，这种情况下，就需要采取一定的措施。 考虑g p s 系统和d r系统的各自 特点， 同时考虑用户对象的要求， 把d r轨迹推算系统、 g p s . g i s 系统进行综合。 综合的目 的 有四 个:( 1 ) 利用g p s 系统提供的 位置和速度信息对轨迹推 算系统的误差进行实时的校正和补偿:( 2 )当g p s 系统不能正常定位时，利用轨迹推算系统 的完全自 主性对g p s 系统进行补充; ( 3 ) 利用g i s 地图匹配技术进一步提高定位精度并提供 友好直观的用户环境。 ( 4 ) 在极特殊的情况下 ( 及当g p s / d r / m m善者都失效时) ， 用适当 分 布的地区信标 ( d b t )强行修订定位信息。由于综合导航系统能够利用g p s 系统提供的 位置 和速度信息对轨迹推算系统的误差进行实时的 校正和补偿， 因此当需要使用轨迹推算系统时， 基本上能够保证轨迹推算系统是正确的， 提高综合系统的 可靠性。 g i s 的电子地图系统使得用 户能清楚的知道自己 所在的位置及周围的情况。 车载o b u 是车载定位设备的总称， 包括m p u ( 移动定位单元) 、 天线及馈线和运行于车载计 算机 ( m d t )上的软件。框图如图2 - 1 0 . g p s天线 图2 - 1 0车载o b u组成 . 车载o b u 包括: . m p u( 移动定位单元) . g p s 天线 .d g p s 天线 .d b r 天线 .地图匹配程序模块 ( 运行于m d t 上) 整个综合导航系统可以 分为四 大功能模块:导航定位模块;地图 和各种查询信息数据库 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 模块; 通信和信息处理模块; 控制与显示模块。 这四部分之间的关系如图2 - 1 1 . 图2 - i 1模块联系框图 这四部分中， 定 位和导航模块主要通过d g p s / d r 综合信号实时定位出当 前的 位置， 它的 精度和可靠性决定整个系统的精度和可靠性。图2 - 1 2 是该部分的组成原理框图。 信息拍出 图2 - 1 2 导航定位模块 其中 传统的单片机系统现在已 经被微机系统所代替。 微机系统要完成对陀 螺仪、里程仪 和g p s 三路数据采集和融合处理，以 经、纬度数据输出， 数据融合过程见图2 - 1 3 地图 和信息查询系统主要是显示地图， 把定位数据以 某种标记标注在地图上，以 平滑的 曲 线 连 接各 点 ， 形 成 运动 轨 迹。 地图 的 绘 制 可 用m a p l n f o , a r c l n f o , a u t o c a d 等多 种系 统 作图 ， 最后形成d x f 格式的文件名。 通过对这种文件的读写， 可以 对地图进行增加、 删除道路等修改 工作，而且可以 从中读出 地图中的道路信息。该部分还要建立数据库， 方便用户查询。通信 和信息处理模块主要处理通讯体制传送g p s 数据。 随着网 络的发展，网 络数据传送也成为一 种通讯传输手段。通过网 络的实现， 就可实现联网，实现车辆的监控和相互间的查询功能。 控制和显示模块综合处理前三个模块的 信息， 接收用户控制器的指令， 完成各项操作，是整 个系统的核心部分。 图2 - 1 3综合导肮系统数据融合示意图 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 . 7小结 本章就综合导航系统的各个组成部分分别进行了阐 述。 在g p s 定位中分别介绍了g p s 的 组成、定位原理、d g p s和多径效应。 接着，介绍了航位推算的基本原理、地图匹配定位方法 和d b t 定位方法。 最后， 介绍了g p s / d r / m m / d b t 综合定位系统的定位方法。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 第三章 g p s / d r 的信息融合方法 3 . 1 概述? “ g p s / d r组合定位模块负责导航信息的采集，这些信息有 l h z 的g p s 位置信息、用于辅 助导航的单轴压电陀螺信号、 汽车里程脉冲信号、d b r信号以及倒车信号。其组成原理框图 如图3 - 1 。 图3 - 1 g p s / d r综合定位模块总体框图 一般的g p s / d r 组合定 位模块通常把d r推算写于单片机中。 实际应用表明， 这种算法越 来越显示出 其局限性。 可行的方法是， 在导航计算机上实现d r算法， 这样有以 下优点: 便于修改d r的各种参数。 为调试各种参数需进行跑车实验， 而每次跑车实验都需一块 存有程序的单片机芯片， 如一个参数不准确，则需重新更换一块芯片。 实时调试方便。在实际跑车过程中 如需修改有关参数，单片机不能实时跟踪， 只能事 后分析。 由于单片机的容量远远小于p c机. 因此在很多资源使用上都颇感局促。 容量上的 不足 还直接影响采集数据的 速度。只要硬盘容量足够大， p c 机可连续采集几周数据而不受影响， 对事后分析能提供充足的数据。 使用p c机能方便地给地图匹 配提供原始数据， 并使之能够用地图匹配纠正d r的累 计 误差。 g p s / d r数据融合是在g p s 不能满足定位精度的 情况下， 使用d r推算拟合轨迹， 提供 更精确的匹配。 本章将详细论述g p s 与d r之间信息融合的具体方法。 3 . 2确定参数6 1 g i1 lz l4 1 ls 1 u a 1 g p s / d r的算法有一系列参数， 参数的准确与 否将直接影响算法的精度。 如何给用户提供 方便的标定方法，也是工程化、规范化的需要。 东 南 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 . 2 . 1 g p s . d r 的信息切换 在g p s / d r组合导航定位系统中， 首先需要解决的是g p s , d r 之间的切换问 题， 即何时 直 接使用g p s 定 位数据， 何时需要用d r进行位置计算。 这里提到的切换主要是指定位位置 的切换。这便需要判断g p s数据是否满足定位精度。 接收卫星的 个数s t a r n u m和h d o p 是用来判断定 位精度的两个重要参数。 由前面的g p s定位原理可知，g p s的空间卫星星座由2 4卫星组成，平均分布在 6 个轨 道面内。通过g p s 接收机我们能够收到卫星信号。 但要至少收到4 颗星的信息才可以准确定 位， 因此一般s t a r n u m取为4 ， 而当接收到的卫星数目 少于4 颗时， g p s 接收机就无法正常定 位。但在实际应用中发现，由于受多径效应的影响，卫星数多于 4颗，定位精度仍然不高。 所以在容易 产生多径效应的 地区，有时卫星的 定位条件 ( 收星 颗数) 定的可能不止 4颗， 要 看实际情况而定。 g p s 的精度不光取决于在计算时 采用的卫星数， 而且还包括卫星的 儿何分布( d o p ) , 当 进行位置计算时，要解四个未知数:纬度、 经度、高 度和接收机钟差 ( 通常称为时间 参数) 。 每次解这四个未知数均与卫星的位置有关。 为了 描述卫星定位的好坏， 通常引入d o p 指标。 d o p ( d ilu t io n o f p r e c is io n精 度衰减因 子 ) 是反映 卫 星几 何分 布的 精度 衰减因 子。 在跟 踪到 的卫星数目 一定的前提下，当跟踪和使用的卫星在整个天空均匀分布时，d o p值较小;当跟 踪和使用的卫星在整个天空不均匀分布时， d o p 值较大。 d o p的评价指标有 g d o p ( ( g e o m e t r ic l d i lu t io n o f p r e c i s i o n几何精度因子) 、 p d o p ( ( p o s it io n a l d i lu t io n o f p r e c is i o n三维定 位几 何精 度因 子 ) 、 h d o p 哪o