（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式gpsdr组合导航系统的硬件设计与实现.pdf

四型查主堡圭堂堡丝苎并给出了硬件设计原理图。其他外围器件对本系统也必不可少，本文着重介绍了总线缓冲器，c f 卡接口和扩展串口，给出了工作原理图和设计方案。嵌入式系统p c b 的设计是一项相对复杂的工作，本文介绍了p c b 设计中经常出现的问题，并给出了解决这些问题的方法。然后对本次设计的p c b 进行了分析介绍。在介绍硬件设计方案的基础之上，本文介绍了嵌入式系统的软件设计，包括嵌入式系统的软件模型和嵌入式系统的选型，并针对w i n d o w sc e 系统进行了介绍。接下来给出了一个基于w i n d o w sc e 的串口驱动的编写。最后介绍了w i n d o w sc e 系统的内核编译。、本文所做的工作可以直接作为车载定位导航系统的研发，并可为其他嵌入式系统的开发提供硬件的支持。并且积累了丰富的嵌入式系统的开发经验，为后期的嵌入式系统的开发和应用提供了基础。关键词：x s c a l ep x a 2 5 5组合导航d r ( d e a dr e c k o n i n g )g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m )四”i 大学硕士学位论文h a r d w a r ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fg p s d ri n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e mf o rv e h i c l eb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mm a j o r ：p o w e rs y s t e ma n di t s a u t o m a t i o np o s t o r a d u a t e ：d uc h u a n l is u p e r v i s o r ：w a n gz h o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go f v e h i c l ei nc i t ya n de n l a r g e m e n to f c i t y ss c a l e ，i th a sb e e nh o t s p o to fg t l l d yi nc i v i la n do v e r s e a st h a to p t i m i z a t i o ni nr u n n i n go fc i t yv e h i c l e sh a r m o n i z e db yu s i n gm o d e r ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r t ss y s t e m g p sp o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns y s t e mf o rv e h _ i c t ei sa f ti m p o w n tp a r to fi t s b u to bt h eu r b a ns t r e e to ri nt h es p a c eb e t w e e nt h eh i g hb u i l d i n g s ，t h es i g n a lo fg p sm a yb ei n t e r r u p t e dw h i c hw i l lr e s u l t i ng p s 。sp o s i t i o ne r r o r , e s p e c i a l l yt u n n e l si nc i t y s oi th a sb e c nt h e锄p h a s i so fs t u d yi nv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mw h i c hu s i n gg p s d ri n t e 掣a t e dn a v i g 撕o ns y s t e mt os o i v et h ei o s to f g p ss i g n a li nc i t yv a l l e y ah a r d w a r ed e s i g no fg p s d ri n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e mf o rv e h i c l eb a s e do ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ro fi n t 0 1x s c a l ep x a 2 5 5 g p so e mm o d u l ea n dd rs e n s o ri so v e ni nt h i sp a p c nu s i n gg p sm o d u l et og e tt h ed a t ao f p o s i t i o na n du s i n gd rd e v i c et oa i do p sm o d d e t h es y s t e n lc a np r o v i d et h eu s e r sw i t ht h er e a l - t i m el o c a t i o ni n f o r m a t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h em e t h o do fg p sm o d u l et og e tp o s i t i o n i n gd a t a , t h e nh o wt h ed rd e v i c et ow o r ki sa n a l y z e d i n f o r m a t i o nf u s i o na n dk a l m a nf i l t e r i n gi sa l s oi n t r o d u c e d t h i sp a p e rh a sp u tf o c u so f ft h eh a r d w a r ed e s i g no f i n t e g r a t e 甜n a v i g a t i o ns y s t e mf o rv e h i c l e f i r s t l y , t h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ro fi n t e lx s c a l ep x a 2 5 5w a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt h ew h o l ed e s i g no fh a r d w a r ew a si n i p o r t e d 1 h cf i g u r ef o rt h es y s t e m sh a r d w a r ef r a m e w o r ki sa l s op r o v i d e d s e c o n d l y , t h em i n i m a ls y s t e mo fh a r d w 盯ew a sd e s c r i b e d 1 1 壕m i n i m a ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e sp o w e r , a gi n t e r f a c e s d r a m , f l a s h n i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ew o r km e t h o dt h e s ed e v i c e 一h 一四川大学硕士学位论文t h ed e s i g no fe l e c t r o h i ee o m p sa n dt h ec o l l e c t i o no fs p e e d o m e t e r sd a t aa r ec o m p o s e dt h ed e s i g no f d ra i d e dn a v i g a t i o n $ y s t e m 1 c o l l e c t i o no fg p s ss i g n a li st h ec o f eo ft h es y s t e m 1 k sp a p e rp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg p sm o d u l e , t h ed e s i g no ft h i sm o d u l ei sa l s op r e s e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns y s t e ma n di n f o r m a t i o nc e n t e ri sr e a l i z e db yg p r sr o o d u l e t h ec h a r a c t e r i s t i co fs i e m e n s m c 5 5a n di t sh a r d w 趾ed e s i g na r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r o t h e rp e r i p h e r a ld e v i c ei sa b s o l u t e l yn e c e s s a r i l yf o rt h es y s t e m ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c t l s e $ o l ib u sb u f f e r , c fc a r di m e r f a c ea n du n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s m i r e r , a 1 8 0g i v e sm e t h o do f w o r ka n dd e s i g n n l cd e v e l o p m e n to fp c bf o re m b e d d e ds y s t e n li sq u i t eac o m p l e xw o r k ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o r n n o nd i f f i c u l t i e sw h i c ho r e ne n c o u n t e ri nd e s i g n g i v e st h ew a yt os o l v et h e m t h e np r e s e n t st h ep c bo f t h i sd e s i g n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es o i h a r ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mo i lt h eb a s i so fd e s c r i b i n go fh a r d w a r e , i n c l u d e sm o d e lo fe m b e d d e ds y r s t e m , s e l e c t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma n df e a t h e ro fw i n d o w sc es y s t e m as e r i a lp o r t sd r i v e ri s 垂y e l lw h i c hb a s e do nw i n d o w sc es y s t e m ，f i n a l l y , t h i sp a p c rd e s c r i b e sc o m p i l e rw i n d o w sc e sk e r n e l t h er e s e a r c hr e s u l to f t h i sp a p e rc a r ld i r e c t l yb eu s c di nd o s i t i o na n dn a v i g a t i o ns v s t e mf o rv e h i e l e ，a n dc a na l s os u p p o r to t h e rh a r d w a r ed e s i g no f 锄b e d d e ds y s t e m i th a sa c c u m u l a t e dt h ed e v e l o p m e n te x p e r i e n c e so f 也ee m b e d d e ds v s t e m , a n df o u n dt h eb a s e t ot h ef u t u r ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h es y r s t e m k e yw o r d s ：x s c a l ep x a 2 5 5i n t e g r a t e dn a v i g a t i o nd rg p sm v m四川大学硕上学位论文第一章绪论1 1 车辆定位和导航系统简介汽车定位导航系统( v ms ) 是在进入九十年代以后，随着汽车在人们日常生活中的地位不断提高而发展起来的一项新技术。它利用航空导航的一般原理，使用一些相对简单的设备，如陀螺、里程仪、罗盘等，完成对汽车的速度、方向和位移的测量，加上数字地图的匹配，通过一定的融合算法，求解出载体当前位置并显示在地图上。与航空导航定位技术相比，v n l s 要求系统的结构简单、成本较低、易于实现并且要有较高的定位精度，这些要求使得车辆定位系统的研究具有了一定的难度。最早的车辆导航系统可以追溯到几千年前中国古代发明的指南针。然而，最早的包含有电子元件的车辆导航系统是美国在二战期间为吉普车和军用车辆研制的车辆导航系统。该系统是通过磁罗盘的输出驱动一个伺服机去转动与车辆方向相对应的机械轴，这个轴与一个机械计算机连在一起，此计算机根据里程计来算出行驶路程并将其转换成x 和y 坐标。这些坐标自动地在适当比例的地图上绘出车辆的轨迹。六十年代末期，美国公路局提出了一种电子路径引导系统，用于控制和疏导交通。它是在关键地点的路面下埋有环形天线并通过同轴电缆与路边控制器连接，再与中央计算机连接，当汽车经过时即可通过车载无线收发机与天线通信，从而得到有关的实时交通数据和信息。七十年代初期，美国开发了自主导航系统，该系统利用推算定位模块以及地图匹配算法进行车辆定位。目前，在美国v n l s 的研究已具有很高的水平，e t a k i n c 公司研制的汽车导航系统，不仅可以为用户提供以汽车为中心的不断更新的地图，而且可以为用户提供多条可选的路线以及最佳路线。日本于1 9 7 1 年开始智能交通系统的c a c s 计划，该计划与美国的电子路径引导系统相似。到了8 0 年代，日本推出了一种自主导航系统，该系统采用了彩色显示器以及用c d r o m 存储数字地图的新技术。从那以后，各式各样的、越来越先进的导航系统在市场上涌现，其中不少系统采用了地图匹配、全球定位系统接收机和声音引导技术l l l 。四川大学硕士学位论文在欧洲，车辆导航的起步较晚。八十年代以前没有什么大的发展。b o s c h公司曾于1 9 8 3 年推出了车辆自主导航系统，该系统除了推算定位、地图匹配和依次转向路径引导，还可以同时用可视显示和声音合成输出来给司机提供导航。相比较而言，我国汽车导航系统的研究只是刚刚起步。我国的g p s 车辆应用系统主要以g p s 的指挥监控、调度报警系统为主，但车辆自导航，导向产品却一直没有发展起来。1 2 车辆定位技术的研究现状为了使用户获知车辆位置信息，就必须精确地确定车辆位置。因此，对任何车辆定位与导航系统来说，精确、可靠的车辆定位是必要的先决条件目前，用于车辆定位导航系统中的定位技术大致有：全球定位导航系统( g p s ) 、航位推算系统( d r ) ，惯性导航( i n s ) 系统、地面无线电频率定位c r r f ) 、地图匹配o 讧m )等【4 】。g p s 具有全球、全天候、高精度、实时三维的测定位置和速度的能力，因而有很大的优势：但它同时有其致命的弱点，它必须收到空中未被遮挡的卫星信号才能提供准确、连续的位置信息。当g p s 信号被树木、城市高层建筑和桥梁等遮挡或g p s 接收不到四颗及以上的卫星信号耐，g p s 接收机将无法输出有效信息一】。d r 系统是较常用的自主式车辆定位技术，它是利用距离传感器和方位传感器测量出车辆的行驶距离、速度和方位同。在短时间内这些传感器精度较高且成本低：但对于长时间的定位需要采取措施避免误差累积，需要给定初始位置信息，无法单独定位。i n s 系统的特点是自主性强，它主要由惯性测量装置( 陀螺和加速度计) 、计算机和稳定平台组成，输出方向变化率；但惯性器件误差会使得系统误差随时日j 不断积累，且成本商昂。t r f 是从分布在系统运行区域内的一定数量信号标杆接收无线电频率信号，来自多处的t r f 信号标杆的信号交叉使用能够确定车辆的具体位置，然后将这信息提供给驾驶员或控制中心。m m 是通过把车辆轨迹与电子地图数据模块提供的路径相比较，把基于各种传感器的车辆位置与道路网联系起来，从而确定车辆在电子地i 虱上的位置。四川大学硕士学位论文每一种定位技术在相应的条件下各有其优缺点，任何单一定位技术对车辆导航系统的精度和可靠性都有一定的限制。将各种定位技术综合使用，可以集中各种定位技术的优点，避免单一定位技术的缺点。在导航应用领域中，一般采用全球定位系统( g p s ) 和惯性导航系统0 n s ) 的组合导航，它们能分别独立地获取信息，并快速推算出地理位置信息【i l j 。然而，价格昂贵制约了高精度i n s的使用。高性能i n s 通常用于军事和民航领域，而不适合车辆导航这类一般的应用领域。g p s d r 组合定位与导航是目前车辆导航较常用的一种方法。1 3 车辆组合定位与导航技术实现手段车辆组合导航是通过采集多路传感器的信号来解算出导航定位所需的方位信息，通常需要采用多传感器信息融合技术来提高车辆导航定位的精度和可靠性。在车辆组合导航中常用的几种融合方法有卡尔曼( i ( a l m a n ) 滤波、模糊逻辑推理、人工神经网络。模糊逻辑推理和人工神经网络方法目前仅限于理论研究尚无实际应用。卡尔曼滤波仍是车辆组合导航的理论基础。卡尔曼滤波是一种线性最小方差滤波方法，它需要考虑输入信号和量测量的统计特性，利用状态方程对系统模型进行描述。这种方法既能估计平稳的标量随机信号，又能估计非平稳的矢量信号随机过程。卡尔曼滤波又称为递推线性最小方差估计，它采用的是递推计算方法，不要求存储过去的量测值，只要根据当时的量测值和前一时刻的估计值，根据递推公式，利用计算机就可以实时地计算出所需信号的估计值。卡尔曼滤波分为集中卡尔曼滤波、分散卡尔曼滤波和联邦卡尔曼滤波i s l 。过去，通常用集中卡尔曼滤波器，但它的主要缺点是阶次太高，计算量太大，容错能力差，任何一个导航子系统出现故障，都直接影响组合导航系统的性能，甚至使组合导航失败。后来，分散卡尔曼滤波方法引起了研究者们的广泛注意，这种方法把来自每个导航传感器的观测信息各用一个子滤波器处理，然后再用一个主滤波器把各子滤波器的输出信息进行综合，但它要求局部状态估计不相关，而一般情况下局部状态估计往往是相关的。联邦卡尔曼滤波是基于分数卡尔曼滤波，通过局部滤波器的信息分配方法，对分散滤波器进行了改进。联邦卡尔曼滤波保证了整体状态估计的最优性，不要求局部估计不相关，是目前导航界普遍重视的融合算法l 。四川大学硕士擘位论文d r 传感器主要包括距离传感器和方位传感器。距离传感器负责收集汽车行驶的速度和距离信息。方位传感器可以测出汽车行驶的方位信息，有了这些信息和汽车行驶的初始位置，可以利用航位推算算法来计算汽车当前所在的位置，并且可以利用地图匹配算法对误差进行纠正f 7 】。目前常用的d r 传感器包括里程计传感器，压电陀螺和电子罗盘。里程计传感器常用的有两种测量手段：无线电测量方式和齿轮感应测量方式。虽然无线测速方式精度比较高，但是价格昂贵，不适合民用车载系统，而汽车齿轮感应里程计是在所有的汽车上都是现存的，不需要增加额外的费用，因此在汽车组合导航系统中常采样后者。压电陀螺和电子罗盘是用来测量方位角。陀螺仪是一种测量旋转角度的器件，单陀螺可以测量陀螺仪在一个投影平面上的角度变化，三个陀螺仪组合在一起可以测量物体在三维空间的旋转角度的变化。目前陀螺仪有很多类型可以选择，根据价格和性能可以分成很多类型。高精度的陀螺一般用于科研的军事用途，民用车载系统一般采用低价位的陀螺，但是相对于电子罗盘价格还是较高。电子罗盘包含磁阻传感器，来测量车辆的方位角。磁阻传感器是利用磁原理测量地磁场沿载体坐标系分量，通过坐标变换将载体坐标系旋转到地平面坐标下进行数值计算与误差校正，准确地得出载体的航向角【i 们。电子罗盘相对于陀螺仪精度较低，而且容易受n j i - 部磁场的干扰，但是如果做好防干扰措施，是可以满足车载系统要求的脚l 。由于车载组合定位导航系统所接传感器较多，而且速度较快，c p u 进行信息处理的数据量也比较大，而且对速度的要求也比较高。一般的单片机和低端的a r m 是满足不了系统要求的。车载组合导航系统一般采用以a r m 为核心的嵌入式系统来处理。常用的方案a r m 加d s p 处理和单个a r m 芯片处理。a r m 加d s p 的处理方案主要由d s p 处理算法和采集信息，a r m 处理器来负责控制，这样的方案处理的速度可以满足要求，但是a r m 和d s p 的相互协调通信比较麻烦。开发难度较大【4 ”。选用单个a r m 芯片进行运算和控制，可以选速度较高的芯片j 。a r m 处理器种类比较多，其中i n t e l 公司p x a 2 5 5 处理器，处理的速度4 0 0 m ，可以满足车载系统的需要4四川大学硕士学位论文1 4 论文的组织结构本文以车载g p s d r 组合导航系统的硬件设计为主要内容，介绍了本次设、计的硬件方案，原理图和p c b 设计方案并对g p s 的原理，d r 系统的原理，卡尔曼滤波原理和组合导航的模型建立进行了介绍。最后分析了基于g r m d o w sc e 系统的软件设计和串口驱动程序的编写。本文的组织结构如下；第一章：绪论。介绍车载定位系统的发展现状和实现手段。第二章：g p s 全球定位系统及其原理。对g p s 系统进行了分析介绍，并对其定位的原理进行了分析。、第三章：组合导航原理。介绍了航位推算的原理，电子罗盘和里程计的工作原理，卡尔曼滤波的原理及应用，组合导航的模型的建立。第四章：系统的硬件设计。主要介绍硬件设计的原则，微处理器的介绍，硬件设计方案和p c b 布板第五章：系统的软件设计。介绍了嵌入式软件的整体设计，嵌入式系统选择和设备驱动程序的开发及系统的构建。第六章：总结和展望。在本文的附录中给出了本次设计的电路板。5四川丈学硕士学位论文第：奄g p s 全球定位系统及英定位原理g p s 全球定位系统全球定艇系绞( g p s g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是2 0 婪纪突蚓技术e 麴竣熏大的成就_ 芝一。g p s 能为用户撼供连续安时、高精度的三维俄霄，三维速度和时间基准。g p s 具有性能好、精度藏、敷臻广的特点。是迄今最好的导航定位系统。随鬻技术的不断发展和成熟，g p s 在企球范围内的军事和民用事业领域褥到了广泛应带，其应翔价值和发袋潜力己弓 超人们的赢度慧视。近年来g p s 导航定证投术在应用基础的研究、新应用领域的拓展、软件和硬件的丌发等努嚣嚣取褥了避逮艟发溪，捷导飘帮定馥技术进入了一个崭耘的时 。p l2 。lg p s 的概述2 1 。1g p s 系统豹缀成全球定位系统( g p s ) 主要有三大组成部分；( 1 ) 空间壤寝部分。 爱声没备部分。空阉登痉帮分，g p s 的窆阅卫鼙星囊囊瓣鬏里璺组戏，獒孛3 鬏凄零翌鬟。墨鬣分每 鍪6 令孰遂乎篷蠹，每个辘遴疆富4 颡黧星。墨漫孰i 蓑瑟程对遮塔奏遭鬣瓣竣霸为5 5 0 ，冬个轨道平蕊于 交点券经棚麓6 0 0 ，在楣邻轨道上，卫壁的升交角距蝴茇3 0 0 。孰遴平蚜崮度为2 0 2 0 0 k i n 。歪整运褥周期菇1 1 小对5 8 努，这群翡南舄使得同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提躯约4 r a i n + 州时证予地平线上的卫星数最少4 颗，最多可遮1 1 颡，保涯了在她球上帮i 蜃地窆间任一点、任何时候均至少可以同时观测到4 颗g p s 卫星。g p s 卫毽韵主要功能逶：( 1 ) 接收和存德甑跑蕊戤控站发聚的导靛僚息。接收并执行虢控站酌指令。( 2 ) 卫疆土设有微处理机，可以进行部分必鼹的数摆娩淫工俸。( 3 ) 透过星载离精度铯钟帮翻钟提供耪鬻的靖间蔫准。( 4 商搿产发送导航和定佼信息。( s ) 在造瑟虢控站的指令下，通过雒邀器谪整激星饿姿惫积瘩魇鍪鼹里星。+ 建瑟瑟羟部分* 6 蓬圳夫攀壤士譬挺豫文g p s 的她面照控部分主要由分布在全球的5 个地砸站组成，包括5 个卫星监摸i 站、1 个主控皴t 鞫3 个信息注入站。其主要的作用是跟踪观测g p s 卫星，准确计肄卫疆的轨道参数和钟差，调戆偏离轨道的卫星，提供g p s 时l - h j 基准，计簿并编涮曩星羹所，定翔f 锺卫鼙注入璧灏和擅帝指令等。潮户设备部分弱p 浚餐部分警要毽耩接牧裁鞍姣理撩翎解雾豹鼗示设备，其穰心是g p s搂浚梳。g p s 豹空阍帮分耩滚面鼗控都势跫浚系统簿虢和定位韵基础，弼户致寅逐过g p s 接收规君襞实现努航秘定袋的嚣黥。接收搬是蠢圭凝、天线，毫滚窝数据处理轶转簿缝或。接彀天线接牧至墨绩号，稽号经接竣穰瓣萝、解溺处理控制设器进行镶号和信息处理，从中提取卫星疆历、距离及距糍变化搴，时钟校正、大气拨委参量等，获取定爱秘导靛镶息，宠成导魃秘建位王穆。g p s用户设备的简化如图2 1 所示。匿生 g p $ 麓户设备的麓他框匿2 1 。2g 髂亚璧髂号缝构g p s 卫星发射的信号包攒三种信号分擞：载波、测距码和数据码( 即导航患文) 。辫鸯信号均程同一频搴f = 1 0 2 3 m h z 的控卷q 下产生斡。示意图2 。2 妇下：g p s 利用l 波段的两种频率的信号l l 和l 2 作载波。其频率分别为1 5 7 5 4 2 m h z 和t 2 2 7 6 0 m h z ，目酶在予测量和消涂鼹惑离屡散j 燕引起豹延迟溪羞。在载波l i 上调制有c ，a 码、p 码和数据码，而在载波l 2 上只调制p 码和数辫玛。g t s 发鸯孝两种测距褥；c a 磷和p 码( 或y 磷) ，均为伪隧祝礞声鹞，简称费鹞。獒中c a 鹞为租弼，码结构是公开的，供一般用户使用定位精寝四 l 大学硕士学位论文可达2 0 4 0 米。p 弼是精码，是结搴留不公开的保密码，难于捕获。易于保密，定位精度霹达5 1 0 米。图2 2g p s 信号的情号分量导貌嘏文是潮产用来寇位和导航的基础，是由蕊星信号调制出束的数据码，包含了卫星的攫历、工作状态、时钟改正、电离层时延、大气折射改正以及幽c a 麓攘获p 鹚等导簸信患。2 1 3g p s 系统的导航定位特点g p s 系统最基本数特点是默“多麓、裹孰、裹额、溅量溅疑”为薅肇电竣裹精度的原子钟为核心。具体体现在下面几个方黼；l ，定馈精度赢应用菇践已经证明，g p s 相对定位精度5 0 k ml ；l 内可达1 0 。，1 0 0 5 0 0 k i n可达1 0 4 ，1 0 0 0 k m 以上可达1 0 4 。在3 0 0 1 5 0 0 k mt 程精密定位中，1 小时戳上可琨测的解其带面泣黄误差小予l m m ，与m e 5 0 0 0 电磁漩测距仪测定的边长比较，其边长牧差最大为0 5 m m ，较差中误差为o 。3 m m 。2 窥测时闯短随着g p s 系统的不断究善。软件的不断更新，嗣静，2 0 k m 以内棚对静态寇经，莰冀1 5 2 0 分铮；挟速静态稳麓定袋溺至对，当每个流动菇冀基准囊相距在1 5 k m 以内时流动站观测时间只需l 2 分钟；动态槲对定位测量时，流动法篷笈粒鼹裂1 2 分镳，然曩埘陵鞋定经，每遗麓溅致黉死秒镑。3 测站间无需通视窭媸走学硪学链论交g p s 测鬣不黉求测站之间互相通视，只篱测站上空开阔即可。因此可节省太攘豹造标赞用。由于无褥点闯逶褪，点缀位鞭可壤撼嚣要，可稀爵密，使逸点置作冀为凝活，也可省去缎典大地羽中的传簿点r 过渡点的测量工作。4 可捷绥三维坐标经典大地测爨将平面鸟简程采用不同方法箭别施测。g p s 哪明寸袖确删_ 定溅站鲶三维壤标。鏊藩g p s 永准爵满足西等采准测塞躺椅寝。5 。搡 譬簿矮随着g p s 接收机不鹾改避，蠡动他程度越来越舞，囊懿已这“傻瓜纯的程壤；接收掇鲍俸歌越来越，l 、，重量邈菇乏越轻，撮大臻减轻溺蓬羔终者豹下作鬻张茸n 劳动强度。使野步 工馋变缌轻松愉快。6 。全哭摸作业目前g p s 观测可在一天2 4 小时内的任何时间：i 攮行，不蹙阴天黑夜、起嚣副飙，下雨下雪等气候的影璃。7 功能多，应用广g p s 系统不设用子溺登、导航，还可霸予瓣遥、测时。铡运的耩度可逸o i r r d s ，溯辩韵稽度可运几十瘫微秒。箕应用领域不断扩大。剐2 。1 4g p s 系统瓣瘦趱嚣景当秘，竣诗g p s 系统翡圭耍螽瀚怒用予导航，毂熬情援等军事目的。但是舞采躬应用搿发表鹾，g p s 系绞不纹熬够达到土述鬓黔，孬登鼹o p s 曩整发慕豹导靛定位爨号载够避行攥米缀甚至爨寒缀耩艘静态籀怼定经，米级至鹾寒缀犄度的动态定位，啦米级至熙米级糖嶷的遮甓溅鼍积瓷微妙缀壤度的时阉粼避。g p s 系统聂城了援其广斓豹应愿藏最。g p $ 系统在大地控制测擞；精密工程测量及变形监冽；航空摄影测鼍；地形、逢籍及房地产测凝：海洋测绘：公安，交遵系统的车辆导舷及鉴羟；气象信息测量 航海航空导航等领域都宥饭重要的成用。2 2g p s 导航定位原理g p $ 定位的基零观测霪，是观测姑 0 )2 7 0 。( 巩= 0 h o )1 8 0 。- a r e t a n ( h j i h r ) a r e t a n ( h x h r ) 】( 1 9 0 。d r ) ( h r 0 ，h f 0 ，h x 0 )运动物体的参考坐标系为地理坐标系( l o c a ll e v e lf r a m e ，又名东北天坐杯四川大学硕士学位论文系) 。f 1 2 - f 1 司定义地理坐标系的坐标轴为( ) ( “y l ，z i ) ，x i 轴水平指东，y i 轴水平指北，z i 轴重力方向。地理坐标系与载体坐标系之间的夹角为载俸的运动姿态。载体坐标系与地理坐标系之间的方位关系如图3 6 所示。图中0 为俯仰角，y为倾斜角。x y b图3 6 载体坐标系与地理坐标系方位关系当运动载体处于倾斜状态时，载体坐标系与地理坐标系之间就会存在俯仰角和倾斜角，磁阻传感器测得的地磁场三轴分量与水平状，奈下抛得的地磁场=轴分量会有很大不同，如果仍采用式( 3 1 2 ) 来计算运动物体的航向角会给测量结果带来很大的误差。此时，可将载体坐标系转换到地理坐标系下计算。以地理北向为起点顺时针方向为正，坐标变换矩阵如下：ic o s os i n 8一s i n o c o s yi口= l0c o s ys i n ylls i n p c o s gs i n tc o s 目c o s ti设三轴磁阻传感器的输出为日6 = 陋日r 6 日1 r利用加速度计测出0 和t 后，可将测得的h g 通过下式变换后计算出运动载体在地理坐标中的三轴分量日= 1 - 1 。日，日：r 。= 口日g( 3 1 4 )由上式可以得到f h j = h c o s o + h v gs i n 8 s i n y 一日z 6s i n s c o s y日r = 盯mc o s y + 日s i n r( 3 1 5 )【h z = h s m o 日y 6c o s o s i n y + h c o s o c o s y最后应用式( 3 1 2 ) 计算出航向角。- 2 2 -四川大学硕士学位论文地球磁场的水平分量与地球表面平行，指向磁北极。而磁北极与地理北极是不一样的，两者之间存在一个磁偏角。为了得到载体相对于真北的航向角，需要在式( 3 1 2 ) 计算出的航向角上再叠加一个磁偏角，即可得到载体相对于真北的航向角。= 妒口( 3 ，1 6 )3 3 卡尔曼滤波算法在组合导航系统中的应用卡尔曼滤波算法概述为消除动态6 i , s 定位数据中的随机误差，就必须应用最优估计方法将真实的状态从各种随机干扰中实时的估计出来。在动态数据处理中，一般采用卡尔曼滤波方法来提取所需要的数据，滤波就是从混合在一起的诸多信号中提取出所需要的信号。信号是传递和运载信息的时间或空间函数。有一类信号的变化规律是既定的，如调幅广播中的载波信号、阶跃信号、脉宽固定的矩形脉冲信号等，它们都具有确定的频谱，这类信号称为确定性信号。另一类信号没有既定的变化规律。在相同的初始条件和环境条件下，信号的每次实现都不一样，如惯导系统的导航输出误差、g p s 的s a 误差等，它们没有确定的频谱，这类信号称为随机信号。由于确定性信号具有确定的频谱，所以可根据各信号频带的不同，设置具有相应频率特性的滤波器，如低通、高通、带通、带阻滤波器使有用信号无衰减地通过，使干扰信号受到抑制。这类滤波器可用物理方法实现，如模拟滤波器，也可用计算机通过算法实现，如数字滤波器。而随机信号则要根据信号的统计特性，来设计不同的滤波器，滤除不必要的信号。3 3 1 基本卡尔曼滤波离散状态方程及其解离散状态方程的基本形式是x c k + 1 ) = a x ( k ) + b e c k )( 3 1 7 )其中缸的代表一组状态变量组成的多维状态向量，而4 ，口都是矩阵，它们是由系统的拓扑结构、元件性质和数值所确定的。e ( k ) 是激励信号。状念方程足多维一阶的差分方程。四川大学硕士学位论文量测方程卡尔曼滤波是根据系统的量测数据( 或称观察数据) ，对系统的运动进行估计。所以除了状态方程以外，还需要量测方程。量删系统可以足时不变系统也可以是时变系统。设量测数据和系统的各状态变量问作线性关系。如果用儿表示量测或观察到的信号向量序列，则它与状态变量屯的关系可以写成以= g + ( 3 1 8 ) 这个儿包括信号的真值以= c k 收和噪声吼是观察或量测时引入的误差，它是一个代表测量误差的随机向量。吨一股可以假定为均值为零的t 态白色噪声。显然，儿的维数不一定与屯的维数相等，因为不一定能量删到所有高要的状态参数。q 称为量测矩阵，它是一个m n 的矩阵( m 为儿的维数，n 为x 。的维数) 。的维效当然应该和y 。的维数一致。卡尔曼滤波的方法与公式卡尔曼滤波要解决的问题是要寻找在最小均方误差下x 。的估计值l 。它的特点是可以用递推方法计算。具体地讲，设己知动态系统的状态方程和量测方程，它们分别为札= 4 以一i 十吼- l( 3 1 9 )y k = g k + 吨( 3 2 0 )式中：a k n x 胛维矩阵，称为状态转移矩阵；c k m 维矩阵，称为量测矩阵；以一n 维状态向量；y k n l 维观测向量；吼一n 维均值为零的白噪声向量，过程噪声：巩m 维均值为零的白噪声向量，量测噪声。假定：( 1 ) a 。与仇都是均值为零的正态白噪声，且q 与坼互不相关，即四川大学硕士学位论文叫1 = o ；c o v 雌，_ = e q = g 磊h 】= o ；c o v h ，v j = e 唯哆 = r 毛c o v ，_ = u 哆 = o ；k , y = o ，i ，2 这里；g = 哳 】= e 比w ；一对称非负定阵= 陆h = e h ；一对称正定阵( 2 ) 初始状态为随机向量，它与。、独立，其统计特性是给定的k 。】= 胁岛= e f ( 而一毛) ( 一j o ) 7 = 哳【】c o v x o ，坼 = o ；c o v l x o ，u ) = 0通过推导得到下列一组卡尔曼一步递推公式：是= 4 矗i + h t ( j ，i - c k 以氩一i )( 3 2 1 )峨= 覃q ( g 掣+ 咒) 。【3 2 2 )巧= 4 最。鬈+ g 一。( 3 2 3 )足= ( ，一风g ) 夥( 3 2 4 )由式( 3 2 1 ) 可见，当已知匾，利用前一个以的估计值甄一。与当前的量测值儿，就可以求得也。如果风是按式( 3 2 2 ) 计算的，即满足最小均方误差阵的凰，则将此风代入式( 3 2 1 ) ，就得到所要求的在最小均方误差阵条件下的。如果初始状态和的系统特性e k 。忸v a r b 。】己知，并令岛= e k 】= 。又晶；e ( 一毛) ( 而一矗) - v a r x o 将凡代入式( 3 2 3 ) - 求得彳，将彳代入式( 3 2 2 ) 可求得两，将此凰代入式( 3 2 1 )可求得在最小均方误差条件下的叠，同时将彳代入式( 3 2 4 ) 又可求得p l ；由j d ，又可求得只r ，由只又可求得仍，由2 又可求得i ：，同时由仍与碍又可求四川大学硕士学位论文得p 2 ；以此类推，这种递推计算法用计算机计算十分方便。故根据己知的矩阵：4 、q 、g 、r k 以及观测到的儿，就能用递推计算法得到所有的毫、i ：一，丸以及只、b 、只。如图3 7 所示：韧始值女值儿韧始值p o图3 7 卡尔曼算法流图根据上述的滤波公式，增益矩阵风与初始均方误差阵尸o 、动态噪声协方差阵函一- 及观测噪声协方差阵m 之间的存在着下列关系：当，o ，m ，9 1 ( k = - i ，2 ，3 ) 同时乘以相同数量时，胁不变。当m 增大时，风交小，这从直观上可以理解，因为如果观测噪声增大，则增益应该取的小一些，以减弱观测噪声的影响。当尸。变小或9 一变小或两者都变小时，凤变小。这从直观上看也是自然的，因为尸。交小表示初始估计较好，9 一一变小表示状态转移的随机波动小，所以新加进的观测对状态预测的校正影响减弱，于是增益矩阵风应当变小。m l四川大学硕士学位论文3 3 2 扩展卡尔曼滤波基本卡尔曼滤波研究的是n 维离散时间的状态量的估计处理过程，这个过程是用线性差分方程描述的。但是，在现实中大多数系统通常是用非线性的方程来描述的，有些系统可以近似的看成是线性系统。但是大多数系统则不能仅用线性差分方程来描述，如飞机的飞行状态，导弹的制导系统，卫星导航系统以及很多工业控制系统等，其中的非线性因素不能被忽略，或为了更好的分析综合结果，必须应用反映实际系统的非线性数学模型，对随机1 乍线性系统的卡尔曼滤波问题也就产生了处理随机非线性系统的卡尔曼滤波问题将会遇到本质上的困难，对于一般的非线性系统我们在理论上难找到严格的递推滤波公式，因此我们只有通过对非线性方程的线性化处理后才能使用卡尔曼滤波器。这种线性化卡尔曼滤波器我们称之为扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 。一般我们采取围绕最优状念估计的线性化方式，将非线性函数展开成泰勒级数并略去二阶以上项来进行线性化。许多动态系统的描述方程是非线性微分方程组，它们的系统方程和量删方程可由以下形式描述：x ( t ) = f i x ( t - 1 ) ，t 】+ 似t - - 1 )( 3 2 4 )z ( t ) = h x ( 0 ，t + v o )( 3 2 5 )式中w o ) ，v ( f ) 是彼此不相关的零均值自噪声序列，它们与初始状态x o 也不相关，即对于t r o 有目嘶) = 0 】，耳砸) 呻) 7 】= q ( o a ( t )( 3 2 6 )e l y ( t ) 】= o ，日v ( f ) v ( f ) 1 】= r ( t ) 8 ( t )( 3 2 7 )f 【似，) v ( r ) 7 】- 0( 3 2 8 )围绕最优状态估计川) 的线性化的滤波方法通常称为扩展卡尔曼滤波方法，简写为e k f 。应用卡尔曼滤波基本方程可得：石i i = o t t 一1 m 一-( 3 2 9 )m = m + h + 研五一胁彪，k 一1 】( 3 3 0 )四川大学硕t 学骨论文缸= i i h k 7 h d k h 厩7 + m 】- i( 3 3 1 )a = 弧t i p k l m h 7 + 9 一i( 3 3 2 lp k = ( ，一k d - b ) p i i6 z = 忍 珥弋坪。3 4 组合导航算法模型的建立( 3 3 3 )r 3 3 4 )高精度、低成本的g p s 单独作为车辆定位系统，只要c - x p s 信号可用，即可提供车辆的绝对坐标，且误差不随时间而累积具有良好的低频响应特性，但g p s 应用于导航定位的主要缺点是数据输出频率低( 常用的为1 秒) ：动态环境中可靠性差；g p s 信号受限于“城市峡谷”的遮挡会使定位信号中断，以上因素在一定程度上限制其应用。航位推算系统是基于相对位置修正的方法，即利用已知起点的坐标和车辆的运行速度和方向来推算其当前位置，具有短时定位精度较高的优点。为保证车辆定位连续性和可靠性，采用以g p s 定位为主，航位推算为辅的组合导航定位方式。组合系统的硬件结构如图3 8 所示。整个组合导航系统在工作时，导航计算机同时接收来自g p s 定位系统和d r 航位推算系统的数据，根据组合导航系统的数学模型进行两种定位结果的信扈、融合，得到最优的定位结果，从而获得最好的定位精度。当g p s 信号丢失，无法正常工作时，能够利用d r 系统的自主定位结果，以维持正常导航。此外，当g p s定位由于可见星少于四颗而定位精度较低时，还可以利用d r 系统在一定的距离内的较高精度来改善g p s 的定位精度。图3 8g p s d r 组合导航系统原理图四川大学硕士学位论文3 4 1 扩展卡尔曼滤波在车辆g p s 仍r 组合定位系统中的应用航位推算和全球定位系统使车辆定位与导航系统最常用的两种定位技术。针对g p s 和d r 各自的特点，车辆定位系统常采用g p s d r 组合定位方案和单独d r 系统定位方案，采用信息融合技术来组