（电力电子与电力传动专业论文）车载gpsdr组合导航定位系统的研究.pdfVIP

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e a p p e a r a n c e o fm u l t i s e n s o r s t e c h n o l o g y h a sp r o m o t e d g r e a t l y t h e d e v e l o p m e n to fi n - v e h i c l eo r i e n t a t i o nt e c h n o l o g y , a n di te n d e dt h et i m ei nw h i l e g p so rd rn a v i g a t i o ns y s t e mw a su s e ds o l e l yt oo r i e n t a t ef o rv e h i c l e s i th a sb e e n s h o w nt h a tt h et e c h n o l o g yo ff u s i o no fg p sa n dd rm a yi m p r o v ec o m m e n d a b l yt h e p r e c i s i o no fn a v i g a t i o nf o rv e h i c l e s i i la l lk i n d so ft h e o r i e so fi n f o r m a t i o nf u s i o n k a l m a nf i l t e r i n gt h e o r yh a sb e e n a c c e p t e dp o p u l a r l y a n dh a s b e e n d e v e l o p e dq u i c k l y a n dh a sb e e n u s e di n c o m p r e h e n s i v ef i e l d s ，b e c a u s ei th a sa d v a n t a g e ss u c ha sr e c u r s i o n ，r e a l - t i m ea n di t s i n f o r m a t i o ni ss t o r e da n dc a l c u l a t e d e a s i l y i n c o m p u t e r s t h e f e d e r a lk a l m a n f i l t e r i n gu s e di nt h ef i e l do fi n t e g r a t e dn a v i g a t i o no r i e n t a t i o no fg p sa n dd rh a s b e e nd e v e l o p e du n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h em a i ni d e ao ft h i s a l g o r i t h mi st h a t m a k i n gg p sa n dd ra si t st w os u b s y s t e m s ，a n dt h e ya r ec a l c u l a t e df i r s t l yu n d e rt h e i r o w nf i l t e r i n gs y s t e mt h e nt h e i ro u t c o m e sa r ec a r r i e dt ot h em a i nf i l t e r , w h e r et h e s e o u t c o m e sm u l t i p l i e dt h ed y n a m i cd i s t r i b u t e df a c t o r st h a tc o m ef r o mt h eo p e r a t i o n t h r o u g ho b s c u r ei n t e g r a t i o ne s t i m a t ea l g o r i t h ma n dd y n a m i ci n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i n g f a c t o r so p t i m i z a t i o na l g o r i t h mb e c o m et h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o nf u s i o n t h es t a n d a r dk a l m a nf i l t e r i n gh a sv i s i b l ed i s a d v a n t a g e sa si t sa d v a n t a g e s 朋lo f t h e s es y s t e me q u a t i o n sf o rs t a t ev e c t o r st h a ta r ed e m a n d e do fm u s tb el i n e a r , a tt h e s a m et i m et h en o i s em e tb yt h e mm u s tb ew h i t e t h ef i e l do fu s eo ft h es t a n d a r dk f i sl i m i t e dg r e a t l yf o rt h ed i s a d v a n t a g e i nt h et h e s i s ，t h ef i l t e rf o rg p ss u b s y s t e mw i l l b es e l e c t e da sk fb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e ro fi t so w ns y s t e me q u a t i o n sa n du n d e rt h e c o m p l i c a t e dw o r k i n gc o n d i t i o no fm u t u a lc o r r e l a t i v ec o l o rn o i s e t h e m u t u a l c o r r e l a t i v ec o l o rn o i s ew i l lb et r a n s f o r m e da sa “w h i t e n o i s ef o r “n e w s y s t e m e q u a t i o n st h r o u g ha s e r i e so fm a t h e m a t i ct r a n s f o r m a t i o n s i nt h es a m ew a y , t h ef i l t e r f o rd rs u b s y s t e mw i l lb es e l e c t e da su n s c e n t e dp a r t i c l ef i l t e rw h i c hc o n t a i n st h e m o s ta d v a n t a g e st h a tu n s c e n t e dk a l m a nf i l t e ra n dp a r t i c l ef i l t e ro w n t h o u g hi th a s ab i gd i s a d v a n t a g et h a tt h ep a r t i c l e sm a yb eh a p p e nt od r yu p t h ea u t h o ri m p r o v e s t h i sa l g o r i t h mt oa v e r tt h i ss h o r t c o m i n ga p p e a r i n gi n o p e r a t i n ga n dc a l l s i ta s i m p r o v e d u p ea f t e r h a v i n g a c h i e v e das e r i e so f r e l i g i o u s m a t h e m a t i c t r a n s f o r m a t i o n s ，t h ea u t h o ra f f o r d sf l o w - c h a r t so ft h ef i l t e r i n ga l g o r i t h m so ft w o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s u b s y s t e m sa n dt h eo p e r a t i n gs t r u c t u r e - c h a r t so ft h e m a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，t h ea u t h o ru t i l i z e dm a t l a bt or e a l i z es i m u l a t i o n n e a i mi st op r o v et h ef e a s i b i l i t yo fi n t e g r a t e df i l t e r i n ga l g o r i t h ma n dt oi n d i c a t et h e p r e c i s i o no fi t sn a v i g a t i o no r i e n t a t i o nb e t t e rt h a n t h a to fa n ys u b s y s t e m k e yw o r d s ：g p s ：d e a dr e c k o n i n g ；k a l m a nf i l t e r i n g ；u n s c e n t e dp a r t i c l ef i l t e r i n g ； f e d e r a t e df i l t e r i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 - 本文针对g p s 子系统的状态和观测方程为线性的特征，采用了改进的标准 k a l m a n 滤波器，使其应用范围拓展至互相关的有色噪声的复杂工作条件下，极 大限度地扩张了标准k a l m a n 滤波技术的应用范围。 2 对于非线性的d r 子系统，本文在充分分析了先进的u k f ( u n s c e n t e dk a l m a n f i l t e r i n g ) 和p f ( p a r t i c l ef i l t e r i n g ) 两种算法各自的优势和缺点后，总结出了利 用各自优点互补的u p f ( u n s c e n t e dp a r t i c l ef i l t e r i n g ) 算法，再归纳出u p f 滤波 存在的粒子发生枯竭重新抽取粒子的弊端，得到改进的u p f 算法。 3 对于g p s d r 组合导航系统的融合采用先进的联邦滤波算法，并通过模糊评 价算法得到动态的分配系数，在滤波组合的工作方式下，保证了在任意常规或 突发情况时，综合滤波所得出的车载定位信号是最优估计。 瓠砂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 一躲诋躲一 醐研- 拈 嗍：1 j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 随着社会经济的高速发展，科学技术的长足进步，世界上许多国家都建立 了四通八达的交通运输公路网。但是，由于与日俱增的公路交通系统的复杂性 和拥挤度，特别是车辆增长的速度已经远远高于道路和其他交通设施的增长速 度，困扰各国的交通问题却显得越来越突出。交通问题主要表现在交通拥挤加 剧、交通事故频繁、交通环境恶化，这些问题造成了极大的物质与经济的浪费。 以美国为例，过去的半个世纪以来，全美的交通量已增加了2 0 0 ，由于车辆拥 挤造成交通阻塞，许多城市在高峰期平均车速只有1 2 8 7 k m h ( 8 英里h ) ，由此 造成的延误损失估计每年达1 2 0 0 亿美元，而因车祸死亡的人数每年也高达4 万 人出。有效地缓解交通问题给社会经济造成的损失已经成为摆在各个国家面前 的迫切任务。正是在这样的情况下，智能交通系统逐渐发展起来，成为解决交 通问题的必由之路。 智能交通系统简称i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) ，它将先进的信 息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术及计算机处理技术等综合运用于整 个交通运输管理体系。通过对交通信息的实时采集、传输和处理，借助各种科 技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高 效的综合运输管理体系，从而使交通设施得以充分利用并能够提高交通效率和 安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展。一般 地i t s 可以分为七大子系统脚，如图卜1 。 先进的交通信息 服务系统a t i s 莲通系统 先进的车辆 i t sl 控制系统a v c s 货运管理系统 电子收费系统 e t c 图i - ii t s 的七大子系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 其中，先进的交通管理系统中的动态交通流分配，先进的交通信息服务系 统中的导航功能，紧急事件管理与救援系统中的事故应急和货运管理系统均离 不开车辆定位。即只有在移动车辆实时准确定位前提下，车辆导航、改善交通、 保证车辆行驶安全才有可能。因此，从某种意义上来说，车辆定位技术是i t s 的核心部分。 1 2 车载定位导航的现状和发展趋势 车辆模块作为智能交通系统的重要组成部分，其定位导航技术一直成为许 多发达国家关注的重点。车辆定位导航系统的功能模块盥蛆，如图1 2 所示。 图1 - 2 车辆定位导航系统的基本模块 提供车辆的位置、速度和航向等信息是车辆导航定位系统的首要功能。对 任何性能良好的车辆定位导航系统来说，精确、可靠的车辆定位是实现导航功 能的前提和基础。目前常用的车辆定位技术主要包括航迹推算技术、地面无线 电定位技术、卫星定位技术、地图匹配技术以及基于视觉的定位技术脚等。 1 2 1 地面无线电定位技术 1 、设置标准点 沿公路两侧建立许多的标准点，当车辆经过这些标准点时，汽车接收这些 标准点所发送的定位信息，从而得到的车辆位置。这种方案只能提供简单的定 位信息，不能够满足实时提供车辆定位信息的要求，另外在整个城市中建立足 够多的标准点本身也是一个相当大的工作量，并且在某些情况和环境中也是不 现实的。 2 、基于移动通信网络的定位技术 基于移动通信网络定位的方案有两类：基于移动台的定位方案和基于网络 的定位方案。前者是由移动台根据接收到的多个发射台的信号特征信息确定其 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 与各发射台之间的几何位置关系，再对其自身位置进行定位估计；后者则由多 个基站同时检测移动台发射的信号，根据信号的特征信息由蜂窝网络对移动台 进行定位估计。目前，基于g s m 和c d m a 技术的蜂窝网络定位系统已经进入 商用，但其定位精度和可靠性还难以与g p s 定位相比，手机成本也有待于降低。 1 2 2 卫星定位技术 g p s 作为新一代的全球定位系统，具有全天候、全球性、连续提供三维定 位导航数据以及误差有界等优点。但美国为了保证自身的利益，使用了选择可 用性政策( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y - - - - s a ) ，即s a 误差。取消s a 误差后，g p s 精度可达3 2 m ( 2 d r m s ，9 5 ) 。在城市里面，由于楼群、立交桥、树木的遮挡， 经常会造成g p s 接收信号的失落和多路径效应。在某些地段和时段，g p s 接收 机捕获的卫星数目会少于4 颗，使g p s 不能够提供实时的定位导航信息凹。 从成本、可实现性、精度等方面来看，g p s 有着其他系统无法比拟的优点。 但是单独使用g p s 也有本身无法克服的问题，如遮挡、失锁、多路径效应等等。 1 2 3 航迹推算技术 航迹推算系统的工作原理是已知本时刻车辆的位置，测量得到下一时刻的 距离和相对转角，从而推算得到下一个时刻的位置。因此对于航迹推算系统来 讲，需要测量车辆载体的航向角和行驶的速度，从而得到车辆载体的位置。目 前，该系统测量航向角所使用的传感器主要有磁罗盘、双差里程仪和角速率陀 螺；测量速率的传感器主要有加速度计、里程仪和多普勒雷达幽。航迹推算系 统是一个自主的定位导航系统。它一般不受外界环境的影响，可以通过自身的 推算得到车辆载体的位置和速度信息，这是航迹推算系统的优点。但是航迹推 算系统本身的误差是随时间积累的，因此航迹推算系统单独工作时不能长时间 保持高精度。 1 2 4 地图匹配技术 地图匹配技术就是引入地图上的信息，通过将定位导航系统的信息与地图 的信息进行比较和融合，从而提高整个系统的定位精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 5 视觉定位技术 视觉定位通过对路标景物的识别和跟踪来确定载体的位置。视觉定位的精 度很高，但体积大、成本高，算法复杂。目前主要用于机器人或有特殊要求的 车辆上。 1 3 车辆组合定位导航系统 1 3 1 航迹推算系统+ 地图匹配 该系统的工作原理是通过地图匹配技术来消除航迹推算系统的积累误差， 使系统的定位精度提高，同时这是一种自主导航的系统。这种方案有着自身的 不足，首先，不能够自主得到航迹推算的初始位置。其次，当车辆行驶在直路 上的时候，地图匹配只能够消除垂直于道路方向的积累误差，而对沿着道路方 向上积累误差的消除情况不理想。 1 3 2g p s + 地图匹配 g p s 存在受到遮挡信息失落的情况，当这种非正常情况持续的时间比较短 时，可以利用前面的定位信息在地图上面进行推算；当这种非正常情况持续的 时间比较长时，整个组合系统就不能够正常工作了。 1 3 3g p s + 航迹推算系统 在实际的车辆组合定位导航系统中，g p s 与航迹推算系统( d r s 一- - d e a d r e c k o n i n gs y s t e m ) 组合是目前一种研究和应用比较多的系统幽。利用g p s 绝对定位、误差有界的优点来弥补d r s 的误差发散、不能初始定位的缺点；利 用d r s 自主定位的优点来解决g p s 信息失落、遮挡等问题，从而使整个系统 的性能、可靠性得到提高。 g p s 与d r s 组合定位导航需要解决的主要问题是二者的信息融合问题，就 是g p s 的定位导航信息如何与d r s 的定位导航信息进行融合从而得到整个系 统的定位导航信息。在实际的系统中有两种解决方案，一种是切换方案，一种 是滤波方案。 l 、切换方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 切换方案的工作原理如图1 - 3 所示。 一一一 drs 图1 - 3 切换组合工作原理 在g p s 接收机跟踪星小于4 颗j 卫星质量较差、车速较小等情况下，利用 航迹推算系统短时精度较高的特点，将系统切换到航迹推算系统。当g p s 可用 时，再将系统切换到g p s 。这种方案实现比较简单，系统承担的计算量比较小。 但是在这种方案中，g p s 和d r s 信息并没有真正融合在一起，因此并不能够充 分发挥二者的优点。同时当不用g p s 信息，而切换到航迹推算系统时，航迹推 算系统并没有工作在最优的状态下，因此航迹推算系统能够满足精度要求进行 工作的时间很短。 2 、滤波方案 将g p s 与航迹推算系统二者的信息进行实时的组合滤波，不断地补偿航迹 推算系统( d r s ) 和g p s 的误差，从而使系统得到最优的输出。当g p s 无法使 用时，系统转入单独使用航迹推算系统的模式。其工作原理如图1 4 所示。 图1 - 4 滤波组合工作原理 由于在前面的组合滤波过程中，航迹推算系统已经被修正得比较准确，因 此单独使月j 航迹推算系统( d r s ) 可以达到较高的精度。这种方案需要实时的 组合滤波计算，因此加大了系统的计算、信息采集和实时中断处理的负担。 1 3 4g p s + 航迹推算系统+ 地图匹配 在地图精度足够高的情况下，该技术将三者的信息融合在一起，能够有效 地减少车辆运行时的积累误差，提高导航系统的定位精度和司靠性。这种方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 对地图的精度要求很高，而且制造成本也比g p s d r 组合导航系统高出很多。 1 3 5 其他组合方式 除了上述几种方案以外，目前已发展的和正在研究的还有g p s + 蜂窝网络定 位；g p s + 惯性导航系统( i n s - - - - i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) g p s + i n s + 视觉 定位( v p 一一s u a lp o s i t i o n i n g ) ；d r s + g p s + v p ；g p s + v p + 陀螺；g p s + 里程 仪；蜂窝网络定位+ 地图匹配( m m 一一m a pm a t c h i n g ) ；蜂窝网络定位+ d r s , g p s + 计步器+ 磁罗盘+ a n 速度计；蜂窝网络定位+ 计步器+ 磁罗盘+ 加速度计等方 式。 1 4 论文主要研究内容 本文围绕车载组合定位系统的理论模型和实施的关键技术进行研究，主要 的研究内容包括： 1 ) g p s 导航定位系统的状态和观测方程为线性的，但其系统噪声和观测噪 声可能是有色的互相关噪声，如何将互相关的有色噪声进行函数变换，使该噪 声“白化 ，可应用标准k a l m a n 滤波算法对g p s 子系统进行滤波，得到最优的 状态估计输出，并绘出g p s 子系统滤波器图； 2 ) d r 导航定位系统的状态和观测方程是非线性的，其噪声也可能是有色互 相关的，通过研究多种先进的非线性滤波算法原理并加以比较，如何综合利用 各种算法的优点改进非线性滤波算法，得到最优或次优的状态估计输出，并绘 出d r 子系统滤波器图； 3 ) 研究多种多传感器信息融合算法，通过比较选择最佳组合导航定位系统 方案，如何通过模糊评价和动态分配算法得到两子系统各自的动态分配系数， 保证得到最优状态估计输出。最后进行仿真验证分析。 1 5 本章小结 本章首先简述了论文的研究背景和意义，介绍了车载导航定位的现状和发 展趋势及几种目前常用的车辆定位技术，其中卫星定位技术和航迹推算技术是 本文的主要研究对象。然后介绍了几种常用的或先进的车辆组合定位导航系统， 其中g p s d r 组合导航系统是本文的主要研究内容之一。最后提出了本论文的 主要研究内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 引言 第二章车载导航定位系统概述 目前的车辆导航定位系统主要有g p s 定位系统和d r 定位系统，但各有其 优缺点，单一的定位系统均不能保证良好的定位效果，因此如何使其取长补短 是解决车辆导航定位数据精度的关键问题世捌。 g p s 定位系统的全天候、连续性等优点使其得到了广泛的推广和使用，但 定位精度易受到外界环境的影响，比如在高楼林立的城市、或者车辆通过隧道 及立交桥时，g p s 信号将受影响甚至中断而无法定位，要得到连续可靠的定位 信息就需要其它的辅助手段。 d r ( d e a dr e c k o n i n g ) 定位系统主要由定位传感器( 陀螺仪、里程计等) 组成，通过测量和记录任一时刻的车辆的位移量和移动方向，可计算出任一时 刻车辆的位置。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，且存在距离累计误差。 g p s 和d r 具有很强的互补性。若g p s 信号良好，则经过滤波处理的g p s 数据可以纠正d r 的距离累计误差，校正d r 系统的定位信息；若g p s 卫星的 几何分布不好或信号被遮挡，可用校正过的d r 数据推算车辆位置。 2 2g p s 导航定位系统 2 2 1g p s 定位原理 g p s 定位技术的基本原理是采用测量学中通用的测距交汇确定点位的方法 幽。假设用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机到 三个发射台的距离，如果三个发射台的位置已知，则分别以三个发射台为球心， 以对应的距离为半径做出三个球面，即可交汇出接收机的空间位置。 1 、伪距测量及定位计算 g p s 是无源测距系统，用户通过比较接收到的卫星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，即两时钟同步同频同相，或已知 相差，那么测得的传播延时f 正比于卫星和月l 户间的距离d ，即d = c t ，其中c 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 为电波传播速度。其原理图如图2 - 1 。 墨“y 弓) s z 化，y z , z z ) 4 ，y 4 ，z 4 ) 图2 - 1 伪距测量原理图 实际上用户时钟和卫星时钟会存在未知的时钟差& ，这时测得的传播延时 t7 及相应的距离p 并不是真正的电波传播延时t 及卫星到用户的距离d ，因此称 p 为伪距，p - - d + c a t 。 卫星时钟一般为精密的铯原子钟，而用户时钟一般是精度较差的石英钟， 此时用户测得的对第f 颗卫星的伪距为 p i 一- d i4 r e 出；厄i 了丽i 了而+ c & ( 2 1 ) 其中，y 。，z o ) ，吒，y ；，乙) 分别是用户和第i 颗卫星在地球坐标系中的坐标位 置，h ( x i ，y i ，z i ) 是卫星发出信号时刻的坐标位置，即t 、y i 、乞是已知量，显 然测量的伪距中有四个未知量，即x o 、y 。、z o 和缸。为了解出这四个未知量， 需要测量至少四颗卫星的伪距。 2 、差分定位 按定位方式，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就 是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测， 可用于车船等的概略导航定位。 对g p s 定位而言，差分是通过已知的位置精确的g p s 基准站与定位点的 g p s 接收机同时接收g p s 卫星信号，由基准站发送改正数据，由定位点接收并 对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果，有效的差分可以完全消除共 有误差，并消除大部分的传播路径延迟误差。 根据差分g 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、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，所不同 的是发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2g p s 的特点及主要误差来源 1 、g p s 的主要特点 ( 1 ) 定位精度高、观测时间短。g p s 能连续地为各类用户提供三维位置、 三维速度和精确时间信息；利用g p s 进行导航定位，1 秒即可完成一次定位， 这对高动态用户尤为重要。 ( 2 ) 全球覆盖连续导航定位。由于g p s 有2 4 颗卫星，且分布合理，轨道 高达2 0 2 0 0 k m ，所以在地球上和近地空间上任何二点，均可连续同频地观测4 颗以上卫星，实现全球、全天候连续导航定位。 ( 3 ) 被动式全天候导航定位。由g p s 导航定位时，用户设备只需接收g p s 信号就可进行导航定位，而不需要用户发射任何信号。 ( 4 ) 抗干扰性能好、保密性强。g p s 采用数字通讯的特殊编码技术，即伪 噪声码技术，因而具有良好的抗干扰性和保密性。 ( 5 ) 操作方便。随着g p s 接收机不断改进，自动化程度越来越高，操作越 来越方便。 2 、g p s 定位的主要误差来源 ( 1 ) 结构误差：卫星产生的误差，包括卫星的时钟误差和卫星轨道误差 ( 约5 m ) ；大气层电波延迟误差( 约2 m ) ；接收机产生的误差，包括接收 机自身的电磁波噪音引起的误差( 约1 一l o m ) 、天线的球心误差、高度误差以及电 波的多信道( m u l t i p a t h ) ；j 起的误差等。 ( 2 ) 卫星排列状态引起的误差 把卫星与接收机相对几何位置定义成各种精度因子( d i l u t i o no fp r e c i s i o n ， d o p ) 形式，可得用户位置误差、钟差误差与伪距观测量的误差关系式为 1 ，。_ - - - - - - - - - _ _ _ - - - - - - - _ _ _ 。 g d o p = 二+ 仃；+ + 彳 ( 2 2 ) 0 0 1 ，- - - - - - - - - - - - 一 p d o p = 二+ 仃；+ z ( 2 3 ) d 0 1 ，- - - - - - - _ _ _ - 。 h d o p = 二+ 盯； ( 2 4 ) o r o ，r v d o p = 羔( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 t d o p ：旦( 2 6 ) 式( 2 2 ) 一( 2 6 ) 中的g d o p ，p d o p ，h d o p ，v d o p ，t d o p 分别为 几何精度因子、位置精度因子、水平位置精度因子、高程精度因子和时间精度 因子，吼，仃，哎分别为x ，y ，z 三个方向的误差估计，q 为系统钟差误差， 砜是假设伪距测量是独立等误差测量条件下的误差方差。 三维位置准确度根据p d o p 有所不同，p d o p 在4 个观测卫星形成的四面 体体积最大时，准确度最高。p d o p 因子在数值越小时越准确，一般认为p d o p 值大于6 时系统误差较大。 2 2 3g p s 定位数据格式 g p s 接收机只要处于工作状态就会源源不断地把接收并计算出的g p s 定位 信息通过串口传送到计算机中，并将其放置于缓存中。这些信息在没有经过分 类提取之前是无法加以利用的。因此，必须通过程序将各个字段的信息从缓存 字节流中提取出来，将其转化成可供使用的定位信息数据。同其它通讯协议类 似，对g p s 进行信息提取必须首先明确其帧结构，然后才能根据其结构完成对 各定位信息的提取。对于通常的情况，我们所关心的定位数据如经度、纬度、 时间、h d o p ( 水平位置几何误差系数) 值等均可以从“$ g p g g a 帧中获得， 而航向、速率、磁偏角等则可以从“$ g p r m c 帧中得到，两帧的结构如下所 示： 1 、$ g p g g a 帧结构 $ g p g g a , ， ， ， ， ， ， ， ， ，m ， ，m ， ， 宰h h ( 总共1 4 个逗号) u t c 时间，h h m m s s ( 时分秒) 格式； 纬度d d m m m m m m ( 度分) 格式： 纬度半球n ( 北半球) 或s ( 南半球) ； 经度d d m m m m m m ( 度分) 格式； 经度半球e ( 东经) 或w ( 西经) ： g p s 状态：o = 未定位，1 = 非差分定位，2 = 差分定位，6 = 正在估算； 正在使用的用于解算位置的卫星数量( 0 0 。1 2 ) ； h d o p 水平精度因子( 0 5 9 9 9 ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 天线的海拔高度( 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 米) ； 地球椭球面相对大地水平面的高度( - 9 9 9 9 9 9 9 9 9 米) ； 差分时间( 从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定 位将为空) ； 差分站i d 号( 0 0 0 0 1 0 2 3 ) ( 如果不是差分定位将为空) ； h h 校验和( $ 与术之间所有字符的异或值) ； 定位语句尾标识( 回车换行) 。 2 、$ g p r m c 帧结构： $ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 宰h h ( 总共1 1 个逗号) 时间( u t c ) ，h h m m s s ( 时分秒) 格式； 定位状态，a 表示有效定位，v 表示无效定位； 纬度，d d m m i t l m m m ( 度分) 格式； “ 纬度方向，n ( 北半球) 或s ( 南半球) ； 经度，d d d m m m m m m ( 度分) 格式； 经度方向，e ( 东经) 或w ( 西经) ； 地面速率( 0 0 0 0 - - 一9 9 9 9 ) ，单位为海里d , 时； 地面航向( 0 0 0 0 3 5 9 9 度) ( 以真北为参考基准，顺时针方向为正) ； 日期( u t c ) ，d d m m y y ( 日月年) 格式； 磁偏角( 0 o 1 8 0 o 度) ； 磁偏角方向，e ( 东) 或w ( 西) ； h l l 校验和( $ 与宰之间所有字符的异或值) ； 定位语句尾标识( 回车换行) 。 至于其它几种帧格式，除了特殊用途外，平时并不常用，虽然接收机也在 源源不断地向主机发送各种数据帧，但在处理时一般先通过对帧头的判断而只 对“$ g p g g a 和“$ g p r m c 帧进行数据提取处理。如果情况特殊，需要从 其它帧获取数据，处理方法是完全类似的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3d r 导航定位系统 2 3 1 航位推算的基本原理 航位推算( d r ) 是经典的独立定位技术幽。对于在二维空间内移动的物体， 如果其起始位置和以前所有时刻的位移已知，则通过在初始位置上累加位移矢 量的方法可以计算出物体的当前位置，这就是d r 定位的原理，如图2 - 2 所示。 l ， 如，y 3 ) e d z 化，y ：) “岛 ， d 。| | ( i iy 。又只 ，0 ，y o ) a l 夕。 ，o o。 0 一 x 图2 2 航迹推算系统基本原理图 如果将车辆运动近似看作是在地表平面上的二维运动，其位置由其在局部 平面坐标系中的东向和北向位置坐标( x ，l ，) 确定，则依据航位推算原理，车辆 在气时刻的位置可表示为 七一1 五= x o + 罗盔c o s o , ( 2 7 ) 衙 k l y i = y o + 喀s i n 0 】f ( 2 8 ) 厨 k 一1 b = q ( 2 9 ) 衙 其中，( 而，y 。) 是车辆在时刻的初始位置，( 黾，y 。) 是车辆在气时刻的位置， d ；，只分别是车辆从f i 时刻的位置 ，y ；) 到f i + 。时刻的位置( 毛小y m ) 的位移矢量 的长度和绝对方向，相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用表示。 航位推算系统的工作前提有两个：一是要获知移动目标的初始位置，二是 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 要实时获取目标在所有时刻的移动距离与方向。 2 3 2d r 误差估计 d r 一般由里程计( o d o m e t e r ) 、角速率陀螺仪( g y r o ) 两部分组成世划。 对于行驶在二维平面空间的车辆，假如起始位置和当前时刻以前的所有位移和 航向信息是已知的，那么采用d r 推算方法能够在短时间内提供比较高精度的 定位结果。 1 、里程计误差 里程计是提供车辆行驶距离的传感器，里程计传感器检测车辆变速箱转动 轴的转角，然后将测得的转角乘上标度系数得到车辆行驶的距离，标度系数与 车轮的半径成正比例，因此车轮半径的变化必然造成车辆行驶路程计算的误差。 车轮半径的变化与以下几个因素有关：车辆速度：随着速度增加，车轮 半径增加；轮胎压力：随着轮胎内部压力增加，轮胎半径增加；轮胎胎面： 随着轮胎胎面的磨损，车轮半径减小。此外，里程计测得的行驶距离还受车轮 打滑和路面坡度变化等因素的影响。 2 、陀螺仪误差 角速率陀螺仪是提供车辆行驶方向的传感器，陀螺仪测量车辆转角的角速 率，并对时间进行积分得到车辆的角度变化，根据前一时刻的车辆方向来确定 当前时刻车辆的行驶方向。由于角速率陀螺仪存在漂移误差，当用速率陀螺仪 前一时刻的车辆行驶方向来推算当前车辆的行驶方向时，当前车辆的行驶方向 必将引入前一时刻速率陀螺仪的漂移误差，形成了累积误差，它将随着时间的 推移变得越来越大。 利用陀螺仪来测量航向主要受到以下因素影响：陀螺仪常值和随机偏差。 其中前者可通过定期校正来消除，而后者需建立动态模型来减弱。其中随机偏 差主要包括电子噪声、机械噪声、温度和电源电压波动及刖d 变换损失的影响。 陀螺仪安置误差。由于安放陀螺仪时的缺陷，而导致其水平航向输出会包含 车辆横滚和俯仰角的分量，进而引起的航向测定误差，此误差可通过初始标定 来消除。陀螺仪转动敏感轴不与坐标计算平面垂直而引起的误差。假设敏感 轴不垂直，必须将其量测值投影到垂向上来。这就需要在车辆上安装倾斜测量 仪来获得这一参数。设陀螺仪量测角度为0 ，倾斜参数为口，则车辆实际行驶 方向口= 0 c o s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 3d r 的参数校正 里程计和陀螺仪的误差必定会被引入到滤波器的位置、速度、加速度估计 中。由于随着时间的推移，里程计和陀螺仪的误差会越来越大，因此滤波器的 位置、速度的估计所受的影响也越来越大。为了减弱里程计和陀螺仪的误差对 滤波器的影响，必须对里程计和陀螺仪的误差进行误差补偿和实时校正。最实 际有效的方法是采用g p s 高精度的定位数据对d r 进行实时校正。 l 、陀螺仪的参数校正 压电速率陀螺测量的是载体的角速度，其输出是与载体角运动成正比的电 压信号 u = ( 蠡；+ 6 k ) + 圪+ 6 y + 亭 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中，u 为速率陀螺的输出电压；坼为速率陀螺的理想刻度系数； 6 k 为速率陀螺刻度系数误差；为载体角速率；圪为速率陀螺标称零点电压； 6 v 为速率陀螺零点电压误差；弓为测量噪声。 ( 1 ) 陀螺刻度系数修正 陀螺刻度系数可以利用上一时刻g p s 信息进行修正。当车辆进行转弯行驶 时，根据当前的道路信息，通过计算修正起始点和终止点道路方向的夹角，并 与修正计算期间陀螺输出累积的转角相比较，计算出修正后的陀螺刻度系数值。 陀螺刻度系数修正原理图如图2 3 。 e 图2 3 陀螺刻度系数修正原理图 其中，b 修正起始时刻的道路方向；吼修正终止时刻的道路方向；6 0 修正 计算期间陀螺输出累积的转角。 陀螺刻度系数修正计算公式如下 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 k = 6 口 一 岛一q ( 2 1 1 ) z ( 一k ) f( 一k ) f 式( 2 1 1 ) 中，u i ，形分别是修正期间各时刻的陀螺输出电压和零点电压； t 为陀螺输出电压采样周期。 ( 2 ) 陀螺零点电压修正 当车辆处于停车状态时，车辆的速度和角速度均为零。此时，陀螺的输出 即为零点电压输出，假设从k 到k + 肌时刻车辆是静止的，可得屹的修正值 1k + r t l = 罗u i ( 2 _ 1 2 ) m 十上儡 式( 2 1 2 ) 中，以为k 到k + 历时刻的陀螺输出。 2 、里程计参数修正 脉冲里程计的数学模型 s = ( d r + 6 d ) n ( 2 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，s 为脉冲里程计的输出距离；珥为理想里程计的刻度系数， 与车胎周长相关；6 d 为里程计的刻度系数误差，它与车速、胎压及摩擦等因素 有关；为里程计的脉冲数。 里程仪刻度系数也可以利用上一时刻g p s 信息进行修正。若d r 的定位位 置和g p s 后的定位位置分别表示为( 石，y ) 和( x7 ，y7 ) ，则利用g p s 信息进行里程仪 刻度系数修正的计算公式为( 2 1 4 ) 所示 七+ ，h 一 罗k 。一) 2 + ( 珐，一叫) 2 2 4 坐标变换处理 g p s 所使用的坐标系统是w g s 8 4 坐标系，而我们使用的地图都属于北京 5 4 坐标系或西安8 0 坐标系。要使三维的g p s 定位信息正确地与二维的d r 定 位信息进行数据融合滤波，必须将g p s 定位数据转换为本地高斯平面坐标系下 的数据。坐标变换的方式是先将g p s 接收到的大地坐标( ，口) 以w g s 8 4 的参 考椭圆为基准进行高斯投影，获得对应于w g s 8 4 椭球的高斯平面坐标，然后 通过平面坐标强制转换，将高斯投影后的平面坐标强制统- - n 国家5 4 坐标中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 这种方法的实时性高，定位精度也不低i & l 。 2 4 1 坐标系简介 1 、w g s - 8 4 大地坐标系 它是一个地心地固坐标系统，是目前g p s 采用的坐标系统，g p s 所发布的 星历参数就是基于此坐标系的。该坐标系的几何定义是：原点位于地球质心，z 轴指向地球极方向，