（机械电子工程专业论文）基于gps定位的移动机器人导航系统的研究.pdf

摘要 摘要 移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支。机器人研究要实现的目标就是要 开发在现实世界中能够完成工作任务的机器人定位与导航技术在移动机器人系统研究 中占有重要的地位。导航是移动机器人的基础，定位是导航的关键。先进的定位导航系 统是移动机器人智能性的集中体现。 全球定位系统( g p s ) 是精密的卫星导航定位系统。通过对国内外移动机器人定位 导航系统的研究现状进行分析，本文提出基于g p s 定位的移动机器人导航系统方案。旨 在研究开发准确、可靠的导航系统，从而提高移动机器人的智能化水平。 本文的主要研究工作如下： 1 分析了国内外移动机器人研究现状及其定位导航技术的研究现状与发展趋势。 简要介绍了本移动机器人实验平台，阐述了本课题的研究意义。 2 详细阐述了6 p s 的系统组成、定位原理、差分校准技术以及误差来源与影响。 分析了g p s 数据格式，利用w i n d o w sa p i 通信函数实现g p s 与移动机器人上位机的串口 通信。 3 建立基于g p s 的移动机器人导航系统，利用g p s 、方位传感器和地图图像相结合 的方式，初步完成移动机器人导航任务。 4 由于多传感器信息融合技术在移动机器人定位导航系统中的诸多优势，构建基 于g p s 的移动机器人多传感器定位系统。以多传感器数据自适应加权融合估计算法为理 论基础，融合g p s 、方位传感器和光码盘的数据信息，得出移动机器人的车体位置，从 而提高了移动机器人的定位精度。 5 简单分析了模糊神经网络技术的优点，建立基于模糊k o h o n e n 网络的移动机器 人避障控制算法设计超声波传感器的数据信息与移动机器人速度的对应关系，同时对 超声波传感器的检测信息进行了合理量化，通过仿真实验证明了该算法的有效性和可行 性。 关键词：全球定位系统( g p s ) ；定位；导航；移动机器人 a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l er o b o ti sa l li m p o r t a n tb r a n c hi nt h ef i e l do fr o b o t i cr e s e a r c h t h eg o a li no m r e s e a r c hi st od e v e l o pam o b i l er o b o tw h i c hi sa b l et of u l f i l lat a s kf o rd e f i n i t ea p p l i c a t i o n s t h et e c h n o l o g yo fp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o ni st h ev e r yi m p o r t a n tt o p i co nt h er e s e a r c ho f m o b i l er o b o t t h ep o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o ns y s t e mi st h eb a s eo fm o b i l er o b o lt h e a d v a n c e ds y s t e mo fp o s i t i o n i n ga n dn a v i g a t i o ni st h ec o n c e n t r a t e de x p r e s s i o no ft h e i n t e l l i g e n c eo f m o b i l er o b o t g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i sap r e c i s e ，n e w g e n e r a t i o n , s a t e l l i t e - b a s e dp o s i t i o n i n g s y s t e m t h ep l a no ft h en a v i g a t i o ns y s t e m , w h i c hi sb a s e do ng p s ，i sp u tf o r w a r db ys t u d y i n g c u r r e n ts i t u a t i o no fn a v i g a t i o ns y s t e m i ta i m sa tr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n ga na c c u r a t ea n d r e l i a b l en a v i g a t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o ta n d u p g r a d i n gt h ei n t e l l i g e n c eo fm o b i l e r o b o t t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hd e v e l o p m e n t sa g ep r e s e n t e d o n ei sa b o u tm o b i l er o b o t ；t h eo t h e ri sa b o u t t h en a v i g a t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o t t h ep l a t f o r mo ft h em o b i l er o b o ti si n t r o d u c e d t h e n e c e s s a r i e so ft h i sp a p e ra g ep r e s e n t e d 2t h et h e o r i e so fg p sa r ep r e s e n t e d , s u c ha st h es t r u c t u r eo fg p s ，p o s i t i o n i n gp r i n c i p l e s , t h et e c h n i q u ea b o u td i f f e 眦c a h b r a t i o na n dp o s i t i o n i n ge r r o r s t h ed a t af o r m a to fg p si s a n a l y z e d t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e du s i n gt h ea p i f u n c t i o no f w i n d o w s 3 t h en a v i g a t i o ns y s t e mf o rm o b i l er o b o tb a s e do ng p si sp r o p o s e d t h et a s ko f n a v i g a t i o ni sc o m p l e t e db yt h em o d e o fg p s a z i m u t hs c l i s o ra n de l e c t r o n i cm a p 4 t h e ma i em a n ya d v a n t a g e so ft h em u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ni nt h en a v i g a t i o na n d p o s i t i o n i n gs y s t e mf o rm o b i l er o b o t t h e r e f o r e ，t h ep o s i t i o n i n gs y s t e mf o rm o b i l er o b o tb a s e d o i lg p si sp r o p o s e d g p sd a t a , a z i m u t hs e n s o rd a t aa n do p t i c a le n e o d e rd a t aa r ef u s e du s i n g t h es i m p l ea l g o r i t h m , w h i c hi sb a s e do ra d a p t i v ew e i g h t e df u s i o ne s t i m a t e da l g o r i t h mo f m u l t i - s e n s o rd a t a t h ep o s i t i o n i n gp r e c i s i o no fm o b i l er o b o ti se n h a n c e d 5 t h ea d v a n t a g e so ff u z z yn e u r a ln e t w o r ka g ea n a l y z e d t h ea l g o r i t h mf o rm o b i l er o b o t t oa v o i do b s t a c l e si sp r e s e n t e d , w h i c hi sb a s e do nf u z z yk o h o n a nc l u s t e r i n gn e t w o r k t h e c o r r e s p o n d e n c eb e f w nt h ed a t ao fu l t r a s o n i cs e l l s o r sa n dt h ev e l o c i t yo fm o b i l er o b o ti s d e s i g n e d t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ea l g o r i t h mi se f f i c i e n ta n df e a s i b l e k e yw o r d s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ；p o s i t i o n i n g ；n a v i g a t i o n ；m o b i l er o b o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 墨盗墨墨盘堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盘样荔签字日期：2 唧年1 月j 寥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生墨墨盘至有关保留、使用学位论文的 规定。特授权叁洼墨苎盘至 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查 阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：燃 签字日期：2 0 哼年f 月1 2 日防 争艮 ， 山n， 卜 肌吖 许彰研 名 期 签 目 师 字 导 釜 第一章绪论 i 1 引言 第一章绪论 移动机器人是机器入学的主要分支，定位和导航技术是移动机器人研究的重要发展 方向。移动机器人是在复杂环境下工作，并且具有高度的自适应、自组织、自规划的能 力。这就需要移动机器人具有较高精度的定位导航系统，本文建立以g p s 定位为核心的 移动机器人导航系统，在初步完成导航任务的基础上，应用多传感器信息融合技术提高 机器人定位精度。并且设计移动机器人避障算法。 1 2 移动机器人的国内外研究发展现状 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生 学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人应 用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志“。“。 移动机器人是机器人学的一个重要研究分支，该方面的研究开始于上个世纪6 0 年 代末。随着计算机技术、传感技术、人工智能技术的快速发展，人们对移动机器人的研 究已深入设计机器人的机械结构、体系结构、环境建模、导航定位、路径规划、运动控 制、多传感器信息融合、故障诊断、容错控制以及移动机器人导航控制平台等嘲旧。2 0 0 2 年，日本松下电器产业公司推出家用吸尘器机器人湖，该机器人配备多达5 0 个传感器。 2 0 0 4 年，美国宇航局推出“勇气”号火星车”( 如图卜1 所示) ，被科学家们称为机器 人野外“地质学家”，它可以像人一样环顾环境四周，寻找有价值的探测目标，然后走 上前去对岩石进行敲打、搜集数据，而后再向下一个目标前进。同年，德国航空航天中 心研制的太空遥控机器人飞入国际空问站进行探测和探究工作，该太空遥控机器人具有 较高的人工智能，可以灵活的移动 图卜i “勇气”号火星车m 国内对移动机器人的研究起步比较晚，开始于上个世纪8 0 年代末。然而，近年来 仍然取得了具有理论和实践意义的丰硕研究成果。清华大学计算机系智能技术与系统国 第一章绪论 家重点试验室在国防科工委和国家8 6 3 计划的资助下，从1 9 8 8 年开始研制 t h m r ”( t s i n g h u am o b i l er o b o t ) 系列移动机器人系统。清华智能车t 删r v 是用三星 s x z 6 5 1 0 七座厢式车改装的( 如图卜2 所示) ，配备了二维扫描激光雷达测障系统，c c d 摄像机视觉处理系统，磁罗盘，光码盘，d g p s 互补定位系统，还安装了包括方向控制、 油门控制和刹车控制的车体控制系统，操作员依据上传来的图像信息进行视觉临场感遥 控操作。t h m r - v 用来研究智能机器人关键技术，经过实验研究已经能够实现结构化环境 下的车道线自动跟踪；准结构化环境下的道路跟踪；复杂环境下的道路避障、道路停障； 视觉临场感遥控驾驶等功能。同时，北京航空航天大学、河北工业大学等科研院所校较 早地开展了对移动机器人的研究。 图1 - 2 清华t t 删r - v 型智能车嗍 随着计算机信息技术的发展，机器人技术取得了很大的进步，表1 - 1 介绍了部分移 动机器人发展，记录了移动机器人的发展历程。 表i - 1 部分移动机器人范倒 机器人 年代 传感器 执行环境信息融合手段 视觉 h i l a r e1 9 7 9 声音未知的人造环境加权平均 激光测距 旋转超声 c r o l l e y1 9 8 4 触觉已知的人造环境可信度加权 彩色视觉 声纳 小范围内的平 d a p p aa l v 1 9 8 5 未知的自然环境 半导体激光 均标高 彩色视觉 n a v l b1 9 8 6 声纳未知公路环境多样可能性 激光测距 半导体激光 s t a n f o r d 1 9 8 7 触觉未知人造环境卡尔曼滤波 超声波 2 第一章绪论 续表卜1 触觉 r a n g e r1 9 9 4 超声波未知室内环境卡尔曼滤波 摄像机 激光测距 o x f o r ds e r i e s 1 9 9 7 声纳 已知或未知的工 卡尔曼滤波 里程计 厂环境 速度传感器 s o j o u r n e r 1 9 9 7 声纳火星表面环境 扩展卡尔曼滤 里程计 波 g p s 、i n s s a s i a d e k 1 9 9 9三维避障的环境 卡尔曼滤波 c c d 摄像机 超声波定位器 k a i l t a is o n g1 9 9 9摄像机 非结构环境神经网络 红外传感器 激光传感器 r o b i n2 0 0 1 触觉传感器未知的人造环境神经网络 超声波等 摄像机 红外探测器 已知或未知的自模糊逻辑 a n f m2 0 0 l超声波传感器 g p s 然环境神经网络 惯性导航 1 3 移动机器人定位导航技术的国内外研究发展现状 定位技术是确定移动机器人在平面环境中的位姿。主要方法有n 町：基于惯性定位； 基于路标定位；基于全方向图像的自主定位；基于声音的定位；基于视觉伺服定位；基 于活动单眼定位；基于空间机器人自主定位；基于激光雷达的定位。 移动机器人导航方式有很多，例如：卫星导航、惯性导航，视觉导航、基于传感器 数据信息导航等等“o “”“”。发展趋势如下： 1 先进的传感技术 传感器相当于移动机器人的感觉器官“”“州“，采用先进的传感器技术能够准确的 采集环境信息，从而提高移动机器人定位和导航的实时性和准确性。 2 高效的信息处理技术 信息处理技术主要是对采集到的传感器数据信息进行处理，包括语音识别与理解技 术，图像处理与模式识别技术等。信息处理技术水平对移动机器人定位导航技术的发展 起到至关重要的作用。 3 第一章绪论 3 多传感器信息融合技术 多传感器导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势“町n ”伽。该技术充分利用了传 感器资源，通过对多传感器及其观测信息的合理支配和利用，把多个传感器在时间和空 间上的信息根据一定的算法进行组合，从而获得对被测项准确的数据信息描述，因而， 它不但能够提高定位导航的精度，同时可以使该定位导航系统具有较高的鲁棒性。 多传感器信息融合技术已经表现出了单一传感器所无法比拟的优越性，因此对于多 传感器信息融合技术的研究具有广大的前景。目前在移动机器人研究方面和多传感器信 息融合技术的研究主要是集中在系统环境建模、传感器建模和信息融合算法乜1 “嘲嘲。未 来的多传感器信息融合技术主要集中在算法的改进和新算法的出现、微型传感器的研制 和多层次的信息融合跚嘲方面。 4 智能算法的发展 目前在移动机器人导航中，智能算法是一个重要的研究发展方向嘲然而目前的智 能算法在机器人导航应用范围内还存在很大的局限和不足，仍然有极大的发展空间和广 阔的发展前景 本文以g p s 为核心，即为卫星导航为了满足军事部门和民用部门对连续实时、高 动态以及高精度导航定位的要求，美国国防部即于1 9 7 3 年1 2 月批准研制了新一代卫星 导航系统，制定了发展导航星全球定位系统计划，系统全称为“授时与测距导航系统 全球定位系统”( n a v i g a t i o n g p s ，n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 嘲，简称为“全球定位系统”( g p s ) 下一章将详细阐述g p s 系 统组成。 1 4 移动机器人实验平台的总体架构 本课题研究所用的移动机器人实验平台是由本课题组和中科院北京自动化所合作 开发的( 如图1 3 和图1 _ 4 所示) 该移动机器人实验平台本体采用封闭式设计，在典型 的恶劣环境中仍然可以保持良好的整体性能。 图1 - 3 移动机器人实验平台 4 第一章绪论 图l - 4 移动机器人实验平台内部布局 移动机器人系统主要由机械系统、驱动控制系统、视觉系统、g p s 、传感器系统、 通信系统、上位机系统组成( 如图卜5 所示) 。 图1 - 5 移动机器人总体结构 移动机器人的上位机系统采用高性能的单板机，支持主频i g i i z 的c p u ，功耗小，处 理速度快。传感器系统主要由g p s 、方位传感器、光码盘、超声波传感器、红外线传感 器组成。g p s 直接与上位机进行串口通信方位传感器、超声波传感器、红外线传感器 的数据先送到由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主控芯片的传感器d s p 处理板进行数据处理，该处理 5 第一章绪论 板是传感器系统的核心，对传感器采集到的数据信息进行处理然后将处理结果通过串口 传送到上位机完成通信。驱动系统中，电机控制器采用面向数字控制应用的d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片，由d s p 发出电机p w m 控制信号。其他传感器及数控接口集 成到一片c p l d - e p m 7 1 2 8 上，由c p l d 送到d s p 芯片，完成驱动系统的闭环控制。 1 5 本课题的研究意义 在机器人研究领域中，由于移动机器人具有广阔的应用前景从而成为该领域中的研 究热点，而其定位导航技术是移动机器人研究的重要组成部分。对于移动机器人，无论 是在太空还是在陆地都能够完全或者部分地代替人类完成简单或者危险的工作。例如： 在太空探测中，完成环境检测、搜集资料等工作；在核污染或者具有核辐射的危险恶劣 环境中完成检测、勘察等工作。 为了让移动机器人能够顺利、可靠地完成工作任务，就必须拥有较高精度的定位导 航系统主要目的就是让移动机器人能够掌握工作环境，这样移动机器人在比较全面获 得有用的环境信息基础上，可以相应的得到工作顺序和操作内容从而自然地适应工作情 况的变化，顺利完成任务。 本文基于g p s 定位的移动机器人导航系统，使得移动机器人具有较强的室外工作能 力。室外移动机器人对机器人自身的工作能力要求较高，主要来自外界环境的影响很多， 而且比较复杂g p s 以其结构简单、成本低廉和操作简单等优点，被广泛的应用到室外 移动机器人和智能车辆的定位导航系统中并且，现在智能交通系统已经成为城市交通 规划中的重点，智能交通系统的核心就是智能车辆的定位导航系统。所以，虽然本文中 的g p s 是应用在移动机器人系统中的，但是所做的研究设计工作完全可以移植到智能车 辆中，为车辆提供技术保障，从而促进城市交通向着智能化方向发展因此，本课题的 研究具有较大的实际意义和应用前景。 1 6 本课题研究的主要内容 本课题来源于国际科技合作项目( 中芬) 。v i s i o n - b a s e dn a v i g a t i o no fa na g v w i t h a no m n i d i r e c t i o n a lc a m e r a ”和国际科技合作重点项目( 中芬) “移动机器人和自引 导车的全方位视觉导航技术”。本文建立以g p s 为核心的移动机器人导航系统，初步完 成移动机器人导航任务。同时，探讨比较实用的多传感器信息融合技术，来提高移动机 器人的定位精度。并且设计了移动机器人避障算法。 论文共分为七章，具体内容安排如下： 第一章综述了移动机器人的发展现状和研究趋势，分析了移动机器人的多种定位 导航技术。简要介绍了本课题基于的移动机器人实验平台总体结构。 第二章详细阐述了g p s 的组成、定位原理、差分校准技术和g p s 数据的误差来源 与影响在分析g p s 数据信息协议的基础上，利用w i n d o w sa p i 通信函数设计g p s 数据 处理。 6 第一章绪论 第三章建立基于g p s 的移动机器人导航系统架构，利用g p s 、方位传感器和地图相 结合的模式，初步完成导航任务。 第四章简要说明多传感器信息融合技术应用在移动机器人定位导航系统中的优 势，建立基于g p s 的移动机器人多传感器定位系统。采用多传感器数据自适应加权融合 估计算法完成对g p s 、方位传感器、光码盘的数据信息进行融合，提高了移动机器人的 定位精度。 第五章在分析糊神经网络的优点基础上，建立基于模糊k o h o n e n 网络的移动机器 人避障算法。通过对该网络进行无监督式的训练，建立超声波传感器和移动机器人速度 之间的对应关系，从而使移动机器人能够比较快速的躲避障碍。由于超声波传感器存在 检测盲区，所以利用红外线传感器和超声传感器相结合完成紧急情况下的避障。 第六章设计基于g p s 的移动机器人导航实验并对结果进行分析；设计基于g p s 的 多传感器定位信息融合系统的实验并对结果进行分析；设计移动机器人避障的仿真实验 并对结果进行分析 第七章对本课题的工作进行总结，并对下一步的工作进行展望 7 第二章g p s 的系统原理与数据采集 第二章g p s 的系统原理与数据采集 全球定位系统( g p s ) 是在海、陆、空中进行实时全方位三维导航与定位的新一代 卫星导航与定位系统渊洲g p s 数据能够为全球范围内的用户提供准确的三维位置、 三维速度和时间信息m “嘲。 2 1g p s 的系统原理 g p s 最基本的特点就是以“多星、高轨、高频、测时、测距”为体制，以高精度的 原子钟为核心嘲洲，并且具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便和应用广泛 等特点。 2 1 1g p s 的系统组成 全球定位系统( g p s ) 包括三部分：g p s 空间卫星星座、地面监控系统和用户设备( g p s 信号接收机) 嘲蚓吲 1 g p s 空间卫星星座 g p s 空间卫星星座，必须保证在地球各个地方能够同时观测到至少4 颗卫星，才能 够完成g p s 定位工作g p s 的空间星座由2 4 颗工作卫星组成( 其中3 颗为备用卫星) 嗍嗍 这3 颗备用的工作卫星相问分布在3 个轨道平面上，随时可以根据指令来代替发生故障 的其他工作卫星，从而保证整个g p s 空间卫星星座正常、高效的工作。 2 4 颗工作卫星分布在6 个轨道平面上，每个轨道平面升交点的赤经相隔6 0 。倾角， 轨道平面相对地球赤道面的倾角为5 5 。，每根轨道上均匀分布4 颗卫星，相邻轨道之间 的卫星要彼此相差3 0 9 角，这样才能保证g p st 作卫星全球均匀覆盖的要求。g p s 卫星 轨道平均高度约为2 0 2 0 0 公里，运行周期为1 1 小时5 8 分钟 因此，地球上同一地点的g p s 接收机的上空，每天都会出现相同的g p s 卫星分布图， 只是每天提前大概4 分钟而且，位于地平线以上的卫星数且，随时间和地点的不同而 不同，最少有4 颗，最多可以达到1 1 颗。 2 地面监控系统 g p s 工作卫星的地面监控系统由三部分组成：1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站 嘲m 】。主控站又称联合空间执行中心( c s o c ) ，位于美国科罗拉多州普林斯附近的佛肯 空军基地。3 个注入站分别设立在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋 的卡瓦加兰。5 个监控站除了位于主控站和3 个注入站之处的4 个站以外，还在夏威夷 设立了1 个监测站。 3 用户设备( g p s 信号接收机) 对于用户来说，最重要的用户设备就是g p s 接收机g p s 接收机主要包括天线、信 号接收处理单元、记录装置、输入输出单元和电池嘲 ( 1 ) 天线 8 第二章g p s 的系统原理与数据采集 卫星信号是通过天线接收到的，天线及前置放大器密封为一体，天线为右圆极化 ( r h c p ) 的并且提供接近于半球的覆盖，典型的覆盖约为1 6 0 4 高动态的飞机倾向于 薄剖面的低空其阻力的片状天线，而陆上的运动载体可允许较大些的天线嘲选择天线 需要考虑的参数为：天线增益场形、可用的安装面积、空气动力性能、多径性能和无线 电相位中心的稳定度等等。 ( 2 ) 信号接收处理单元 信号接收处理单元是6 p s 接收机的核心部分，由硬件部分和软件部分构成。它接收 来自天线的信号，经过中频放大、滤波和信号处理，来实现对信号的跟踪、锁定和测量 由跟踪环路重建载波解码的广播电文，同时获得伪距定位信息嘲。 根据需要接收机设计成1 个到1 2 个通道作为选择，每个通道在某一时刻跟踪l 颗 卫星，当此卫星被锁定后，就占据这个通道。然而，现代技术的发展使得在g p s 接收机 中广泛采用并行多通道技术或同时相关型通道技术来增加跟踪到的卫星数目，更好的提 高系统的定位导航精度。 ( 3 ) 存储单元 存储单元主要有6 p s 接收机的内存、硬盘或其他存储载体等等。 ( 4 ) 输入输出单元 输入输出单元是在6 p s 接收机和用户之间的接口。输入输出单元主要有两种基本 类型：整装的和外置的通用的接口是a r i n c 4 2 9 、m i l - s t d _ 1 5 5 3 b 、r s - 2 3 2 和k s - 4 2 2 。 ( 5 ) 电池 电源可以是整装的、外接的或者两者的结合。 2 1 2g p s 的定位原理 移动机器人上所装备的6 p s 采用伪距测量技术进行定位同时采用差分校准定位技术 对接收到的g p s 数据信号进行差分校准补偿，从而输出更为准确的6 p s 定位数据。因此， 主要阐述伪距测量技术和差分g p s 定位技术 1 伪距测量技术 伪距法定位是由6 p s 接收机在某一时刻测出得到的4 颗以上的g p s 工作卫星的伪距 以及已知的卫星位置，采用距离交汇的方法来求得接收机天线所在点的三维地理坐标 嘲。所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达g p s 接收机的传播时问乘以光速所得出 的测量距离。 g p s 卫星依据自己的时钟发出某一种结构的测距码，该测距码经过f 时间的传播后 到达6 p s 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一复制 码，并通过时延器使其延迟时间f 将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数 r p ) 一l ，则继续调整延迟时间f ，直至自相关系数r o ) 一1 为止使接收机所产生 的复制码和接收到的6 p s 卫星测距码完全对齐，那么其延迟时间f 即为g p s 卫星信号从 卫星传播到接收机所用的时间f 。因为6 p s 卫星信号的传播是一种无线电信号的传播， 速度等于光速c ，所以卫星至接收机的距离等于f 与c 的乘积。 9 第二章g p s 的系统原理与数据采集 由卫星钟控制的测距码4 ( f ) 在g p s 时间t 时刻从g p s 卫星天线发出，传播延迟f 后， 到达用户设备( 6 p s 接收机) ，则所接收到的信号为口o f ) 。由接收机钟控制的本地码 发生器产生一个与卫星传播相同的本地码4 ，( f4 - a t ) ，f 为接收机钟与卫星钟的钟差嘲。 经过码移位电路将本地码延迟f ，发送到相关器与所接收到的卫星发播信号进行计算， 经过积分器后得到自相关系数r 扛) ，公式如下： 1 r ( r ) - 睾p ( f f ) 4 ( f + a t f ) d t ( 2 1 ) 1 ， 调整本地码延迟f ，可使相关系数值达到最大，如下： j 心- k ( 2 - 2 ) p f 。t + a t 一_ f 。 合并后，得到公式如下： j 一。t + a t + n t ( 2 - 3 ) l p - p 4 - c a t + 一a 式中：p 伪距测量值； p 卫星至接收机的几何距离； r 测距码的周期； a 相应测距码的波长； 一正整数一一咄2 ，； c 信号传播速度 式( 2 3 ) 是伪距测量的基本方程。其中的栉a 称为测距模糊度嘲。如果已知待测距 离小于测距码的波长( 以用p 码测距为例) ，则n = 0 ，而且： p-p+cf(2-4) 称为无模糊度测距嘲 由式( 2 4 ) 可知，伪距观测值p 是待测距离与钟差等效距离的和钟差包含接 收机钟差西i 与卫星钟差盘，即f - 一研。+ 6 t ，若再考虑到信号传播经电离层的 延迟和大气对流层的延迟汹1 。则式( 2 - 4 ) 变为： p - p + 6 p l + 印2 + c 6 t 。一c 6 t ( 2 5 ) 式中：舰电离层的改正项； 印：对流层的改正项； & 。的下标七接收机标号； 厨的上标，卫星标号。 式( 2 - 5 ) 为所测伪距与真正的几何距离之间的关系式，可以看出，电离层和对 流层的改正项可以按照一定的模型来进行计算，卫星钟差6 t 可以从导航电文中得出。 几何距离p 与卫星坐标( x ，y ，z 与接收机坐标仁，l ，z ) 之间的关系式为： p 2 一( x 一石) 2 + 一y ) 2 + ( z 一z ) 2 ( 2 6 ) l o 第二章g p s 的系统原理与数据采集 ( x l 工) 2 + ( y 一】，) 2 + ( z 一z ) 2 一c 6 t k - p + 印l + 码pj 2 一c 6 t ( 2 7 ) t 醢- x 一x a a y z - - y ，z 一- 三 倍8 ) - y ；+ a y ( 2 - 9 ) 式中：伍：，巧，z ；) g p s 接收机自身观测坐标； 僻，z ，) 经过修正后的坐标 g p s 接收机的位置改正值是瞬时变化的，式( 2 9 ) 可以改写为： x p = x p + 埘+ 挈。) 匕- 巧+ a y + 警( f - t o ) ( 2 - l o ) z ，- z ；+ z + 警m ) 式中：f 0 校正的有效时刻。 苎三垩! 堕箜墨竺堕里量墼塑墨塞 ( 2 ) 伪距差分原理 设基准站的精密坐标为暖，y ：z ，) ，基准站接收机测出卫星的伪距和各卫星的 地心坐标僻i , y ，z ) 每颗卫星每一时刻到基准站的几何距离r 的计算公式为： r - 4 ( x 一z ，) 24 - 一y ) 2 + ( z 7 z ) 2( 2 一i i ) 基准站接收机测量的伪距包含各种误差，与几何距离不同。求出伪距的改正数为： a p ，- r 一p ，o ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 得到伪距改正数的变化率为； 印等 ( 2 1 3 ) 出 基准站把p 和d p 发送给用户，用户测量出伪距p ，再加上以上的改正数，得到 经过改正后的伪距为： p ；( f ) p ( f ) + a p 7 ( 0 + d p ( f - t o ) ( 2 1 4 ) 利用改正后的伪距p ：o ) ，只要观测4 颗卫星就可以按照下式计算用户的坐标嘲。 p ：- 7 一z ，) 2 + 7 一) 2 + ( z7 一z ，) 2 + c 盘+ k ( 2 1 5 ) 式中：却钟差： 接收机噪声 ( 3 ) 载波相位差分原理 载波相位差分技术是建立在实时处理两个测站载波相位观测量基础上的。将式 ( 2 1 5 ) 写成载波相位观测量形式即可得出相应的方程式为嘲： 刚+ a ( 厶一州) + a - n ) + 一崭- 肛_ 历万巧两+ t u p 2 1 6 式中：刚基准站到卫星的真实距离，是由卫星星历与基准站的坐标求出的： 厶用户接收机起始相位模糊度； 耐基准点接收机起始相位模糊度； 州用户接收机起始历元至观测历元相位整周数； 基准点接收机起始历元至观测历元相位整周数； 妒：用户接收机测量相位的小数部分； 基准点接收机测量相位的小数部分； a d p 同一观测历元各项残差。 1 2 第二章g p s 的系统原理与数据采集 可以看出：位置差分是最简单的差分方法，但其先决条件是用户和基准站必须观测 同一组卫星，在近距离可以满足，适用于用户与基准站距离在1 0 0 公里以内，但是不适 合距离较长等条件。与位置差分相似，伪距差分精度也会随着用户与基准站的距离增加 而降低，载波相位差分技术也会受到基准站到用户接收机距离的限制。 2 1 3 影响6 p s 定位精度的主要误差来源 g p s 的定位精度影响g p s 定位精度的主要误差来源是：卫星星历误差，卫星钟误差， 电波信号的电离层传播延迟、对流层传播延迟和多径效应，用户接收机测量误差和用户 计算误差等等m 。对于用户接收机测量误差的避免只有采取精度更高的g p s 信号接收机。 1 卫星星历误差 卫星星历误差是指：卫星星历所提供的卫星在空间中的位置和卫星的实际位置之间 的误差1 。造成卫星星历误差的因素主要有由地面监控部分监测站的分布和各个站地址 的误差，监测站所取得的观测量精度，卫星所受摄动力模型的精度程度、计算精度和卫 星钟的稳定程度等等。 2 卫星钟误差 尽管g p s 配备了具有高稳定性能的原子钟，但是卫星钟本身以及广义相对论和狭义 相对论引起的频率漂移都会一定程度的影响卫星钟。相对论效应导致的卫星钟频率的增 长可以通过人为减小卫星钟频率进行校正，其他误差可以利用主控站测定的参数进行修 改同时，卫星钟误差可以利用2 1 2 节所讲述的差分校准的方法来消除。 3 电离层延迟误差 g p s 信号通过电离层时候将受到电离层弥散特性的影响，使信号的传播路径发生变 化电离层延迟误差可以通过双频观测、电离层模型进行修正，差分技术的应用也会使 电离层延迟误差相应减小 4 对流层传播延迟误差 对流层传播延迟误差是指电磁波信号通过对流层时其传播速度不同于真实中的光 速所引起的延迟误差嘲对流层传播延迟误差主要是与大气的温度、压力、湿度和高度 有关。 5 多径效应 多径效应是指接收机天线接收到直达卫星信号外还会收到经过天线周围地物反射 的卫星信号，两种信号的叠加对定位精度的影响是很难控制的，随环境的不同会产生变 化呻1 。消除的方法有：多次取均值，选择屏蔽比较好的天线或者将天线安置在反射体较 少的区域。然而，在动态定位中，多径效应导致的误差是无法消除的。 6 用户接收机测量误差 用户接收机测量误差主要是由相关接收机对测距码的分辨率和接收机噪声所构成 的。提高接收机硬件的灵敏度和稳定性可以相应减少用户接收机测量误差。 可以看出，g p s 数据信息的精确程度受到以上诸多因素的影响，表2 - 1 列出对定位 数据的影响程度。 1 3 第二章g p s 的系统原理与数据采集 表2 - 1 误差影响嗍 影响( 单位：米) 误差来源 p 码 c a 码 星历误差与模型误差 4 24 2 卫 钟差与稳定性 3 03 o 星 卫星摄动 1 o1 o 部 分 相位不确定性 0 50 5 其他 0 9o 9 合计 9 69 6 电离层折射 2 3 5 o l o o 信 号 对流层折射 2 02 o 传 多路径效应 1 2 1 2 播 其他 o 5o 5 合计 6 08 7 一1 3 7 信号 接收机噪声 1 o 0 5 接收 其他 o 57 5 合计 1 58 o 总计 1 7 12 6 3 - 3 1 3 2 2g p s 数据的接收与提取 移动机器人上所装备的g p s 用户设备由北斗天璇g p s 接收机、c s i 差分信标机、g p s 天线和c s i 天线组成。北斗天璇g p s 接收机提供2 个串口：设置c o m l 传输g p s 定位数 据；c o m 2 与c s i 差分信标机相联，用于接收d g p s 基准站的差分校准数据。 1 4 第二章g p s 的系统原理与数据采集 为了利用g p s 的数据信息首先就是要实现g p s 接收机与移动机器人上位机的顺利通 信，g p s 接收机与移动机器人上位机的通信采用异步串行方式。由于是近距离传输，所 以g p s 接收机与移动机器人上位机的连接方法采用最简单的零调制三线制，将g p s 接收 机的发射端( t x d ) 、接收端( r x o ) 、接地端( g n d ) 分别与移动机器人的上位机( 单板 机) 串口的接收端( r ) ( d ) 、发射端( t x d ) 、接地端( g n d ) 相连接。因为g p s 接收机为 t t l 电平，而上位机串口为r s 一2 3 2 电平，所以经过电平转换，连接如图2 1 所示。 为： t x dt i nt o u tr x d r x dr o u t i u nt x d g n dg n d r s 2 3 2 电平转换 g p s 接收机上位机串口 图2 - 1g p s 接收机与移动机器人上位机连接图 g p s 数据的接收和提取程序是在v i s u a lc + + 6 0 编译环境中设计完成的。设计步骤 1 利用w i n d o w sa p i 通信函数设计g p s 与上位机的串行通信； 2 对接收到的g p s 数据信息进行采集和提取。 2 2 1g p s 数据协议的分析 g p s 数据遵循n m e a - 0 1 8 3 协议，该数据标准是由n j i 队( n a t i o n a l m a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ，美国国家海事电子协会) 于1 9 8 3 年制定的n m e a - 0 1 8 3 数据采用a s c i i 标准。数据传输以“语句”的方式进行，每个语句均以。$ ”开头，然后是两个字母的 “识别符”和三个字母的。语句名0 接着就是以逗号分割的数据体，语句末尾为校验 和，整条语句以回车换行符结束。 n m e a - 0 1 8 3 的数据信息有十几种，例如：g g a 、g l l 、g s a 、g s v 、r m c 、v t g 等。”。这 些信息的作用分别是：$ g p g g a ：输出g p s 的定位信息；$ g p g l l ：输出大地坐标信息；$ g p z d a ： 输出u t c 时间信息；$ g p g s v ：输出可见的卫星信息；$ g p g s t ：输出定位标准差信息：$ g p g s a ： 输出卫星d o p 值信息；$ g p a ：输出卫星星历信息；$ g p r m c ：输出g p s 推荐的最短数据 信息。本定位系统主要利用定位语句g p g g a 中的部分数据信息。例如： $ g p g g a ，0 7 2 0 2 7 0 0 ，3 9 0 5 1 0 2 6 ，n ，1 1 7 0 8 6 2 3 7 ，e ，1 ，0 4 ，9 9 ，一1 9 4 ，m ，一3 1 ，m ，* 6 3 其中：0 7 2 0 3 0 0 0 u t