《组合定位方法》ppt课件

1、 电气与信息工程学院电气与信息工程学院 电子信息工程系电子信息工程系车载车载GPS定位技术与运用定位技术与运用车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 4.1 GPS/DR组合定位组合定位 4.2 GPS/MM组合定位方法组合定位方法第四章第四章组合定位方法组合定位方法车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用组合定位缘由组合定位缘由 1、由于我国地理环境复杂，某些时候呵斥、由于我国地理环境复杂，某些时候呵斥“丢星丢星如城市的高层建筑区、茂密的林荫道、立交桥如城市的高层建筑区、茂密的林荫道、立交桥及山区里的隧道等区域，遭到卫星信号遮挡等多及山区里的隧道等区域，遭到卫星信号遮挡等多种要素的干扰

2、，呵斥种要素的干扰，呵斥“丢星，使得丢星，使得GPS系统不能系统不能延续可靠地得到车辆的定位信息或者得到延续可靠地得到车辆的定位信息或者得到GPS定位定位数据的精度较差。数据的精度较差。 2、GPS接纳机本身的定位频率不够。大部分接纳机本身的定位频率不够。大部分GPS接纳机都是每隔接纳机都是每隔1s产生一次定位数据产生一次定位数据 因此，假设要准确地确定车辆的位置，必需加以因此，假设要准确地确定车辆的位置，必需加以其他的辅助定位方式。其他的辅助定位方式。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用4.1.1 GPS/DR组合定位组合定位 一、航位推算一、航位推算DR-Dead Reckoning

3、 DR技术是利用速度传感器技术是利用速度传感器里程表和航向里程表和航向传感器传感器电子罗盘或者陀螺仪丈量位移方向，从电子罗盘或者陀螺仪丈量位移方向，从而推算车辆的位置。而推算车辆的位置。 根本思想：当车辆在二维平面空间行驶时，假设初根本思想：当车辆在二维平面空间行驶时，假设初始位置和先前的每步位移均知的话，在任何时辰的始位置和先前的每步位移均知的话，在任何时辰的车辆位置都是可以计算的。车辆位置都是可以计算的。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用DR续续车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用DR续续 由于航位推算是一个累积的过程，因此，一切由于航位推算是一个累积的过程，因此，一切的传感

4、器误差均会呵斥位置误差的积累，产生定的传感器误差均会呵斥位置误差的积累，产生定位误差积累的缘由主要有位误差积累的缘由主要有(1)里程表误差，里程表误差，(2)角速率陀螺漂移误差，角速率陀螺漂移误差，(3)航向误航向误差。差。减小这些误差的方法有减小这些误差的方法有:(2)利用利用GPS准确定位信息对导航传感器的误差进展准确定位信息对导航传感器的误差进展校正。校正。(1)采用卡尔曼滤波技术对角速率陀螺信号进采用卡尔曼滤波技术对角速率陀螺信号进 行行 滤滤 波波处置处置 ， 减小干扰和漂移误差减小干扰和漂移误差 。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用二、二、 GPS/DR组合定位组合定位 分

5、析阐明利用分析阐明利用GPS/DR组合定位技术能提高车载定位组合定位技术能提高车载定位系统的精度及可靠性。系统的精度及可靠性。一方面，一方面，GPS提供的绝对位置信息可以为提供的绝对位置信息可以为DR提供推算提供推算定位的初始值，并进展误差校正定位的初始值，并进展误差校正;另一方面，另一方面，DR的推算结果，可用以补偿的推算结果，可用以补偿GPS信号信号“失失效时无法定位的缺陷，还可用于补偿效时无法定位的缺陷，还可用于补偿GPS定位中定位中的随机误差，从而平滑定位轨迹，提高车载定位系的随机误差，从而平滑定位轨迹，提高车载定位系统的精度。统的精度。关键在于：采用何种方法来组合两种定位系统的信息关

6、键在于：采用何种方法来组合两种定位系统的信息以获得最优的组合定位结果。以获得最优的组合定位结果。常用组合方案：切换式组合和数据交融滤波方案常用组合方案：切换式组合和数据交融滤波方案车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用1、切换式方案、切换式方案 两种任务形状：两种任务形状：GPS方式和方式和 DR方式方式 当当GPS观测到的卫星数较多时任务于观测到的卫星数较多时任务于GPS方方式，同时利用式，同时利用GPS的定位输出刷新的定位输出刷新DR系统系统的初始推算位置；的初始推算位置； 当当GPS定位数据失效时那么切换到定位数据失效时那么切换到DR方式。方式。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与

7、应用 优点：简单易行，系统承当的计算量很小，可以优点：简单易行，系统承当的计算量很小，可以处理卫星信号失效时短时间的定位问题。处理卫星信号失效时短时间的定位问题。 缺陷：缺陷：1、两种系统没有有效交融不能发扬两者的、两种系统没有有效交融不能发扬两者的优点。优点。2、DR所需求的初始信息由前一时辰的所需求的初始信息由前一时辰的GPS数据提供，使得数据提供，使得GPS数据中的误差直接被传送到了数据中的误差直接被传送到了DR推算过程汇中，呵斥推算过程汇中，呵斥DR系统的定位精度下降，系统的定位精度下降，缩短了其可以满足定位精度要求的有效任务时间缩短了其可以满足定位精度要求的有效任务时间等。等。切换式

8、方案续切换式方案续车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用数据交融方案数据交融方案卡尔曼滤波卡尔曼滤波 思绪：将思绪：将GPS和和DR信息同时用于定位求解过程中，使信息同时用于定位求解过程中，使DR系统的形状在滤波过程中不断得到修正，同时组合定位的系统的形状在滤波过程中不断得到修正，同时组合定位的输出又可以为输出又可以为DR系统提供较为准确的初始位置和方向信息，系统提供较为准确的初始位置和方向信息，从而即使从而即使GPS失效、单独运用失效、单独运用DR推算定位时也能长时间的推算定位时也能长时间的坚持较高的定位精度。坚持较高的定位精度。 信息交融原理是信息交融原理是:系统总信息在系统总信息在2

9、个分块滤波器中进展适当个分块滤波器中进展适当分配分配;分配后的信息与部分传感器的信息进展组合，完成部分配后的信息与部分传感器的信息进展组合，完成部分传感器的信息更新分传感器的信息更新;更新后的部分信息重新组合为新的总更新后的部分信息重新组合为新的总信息和。信息和。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用卡尔曼滤波续卡尔曼滤波续车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用卡尔曼滤波的设计续卡尔曼滤波的设计续车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用卡尔曼滤波的设计续卡尔曼滤波的设计续2、数据交融构造、数据交融构造陆路车辆定位的数据交融构造如图陆路车辆定位的数据交融构造如图4-3所示，陀螺仪所示，

10、陀螺仪丈量车辆运动的程度角速度，速度计丈量车辆单丈量车辆运动的程度角速度，速度计丈量车辆单位时间内行驶的间隔。位时间内行驶的间隔。图图4-3 陆路车辆定位的数据交融表示图陆路车辆定位的数据交融表示图车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用3、参数变量描画、参数变量描画卡尔曼滤波的设计续卡尔曼滤波的设计续车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 4、模型描画、模型描画 1系系 统统 形状方程形状方程 车辆的运动方向由陀螺仪输出的角速度积分车辆的运动方向由陀螺仪输出的角速度积分而得：而得：卡尔曼滤波的设计续卡尔曼滤波的设计续图图 4-2 陆路车辆运动的坐标关系陆路车辆运动的坐标关系(4-1)(

11、4-2)车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 车辆在采样间隔内挪动的间隔由速度计输出的车辆速度积车辆在采样间隔内挪动的间隔由速度计输出的车辆速度积分而得，即分而得，即 根据假定条件根据假定条件a)，车辆，车辆k+l时辰的位置坐标可由下式递推而时辰的位置坐标可由下式递推而得，得，车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 由由(4-2)和根本的三角几何关系可得和根本的三角几何关系可得车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 2) 观测方程观测方程 在在 GPS/DR组合定位中，车辆位置可以经过组合定位中，车辆位置可以经过GPS或者或者DR两种方法来获得，但是利用两种方法来获得，但是利用D

12、R需求知需求知道车辆运转的初始方向和位置。系统的观测方道车辆运转的初始方向和位置。系统的观测方程表示为程表示为 当当GPS卫星信号质量太差时，车辆的位置坐标卫星信号质量太差时，车辆的位置坐标由由DR算法获得，当算法获得，当GPS信号有效时，信号有效时，GPS接纳接纳机输出的位置坐标作为观丈量。机输出的位置坐标作为观丈量。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 观测噪声的特性取决于观丈量来自于观测噪声的特性取决于观丈量来自于GPS还是还是DR。由于。由于SA曾经取消，曾经取消，GPS定位误差可用定位误差可用 表示。当利用表示。当利用DR获得获得车辆位置时，位置估计误差随车辆行驶的间隔而添加。

13、总车辆位置时，位置估计误差随车辆行驶的间隔而添加。总之，观测噪声可由下式给出，之，观测噪声可由下式给出， 导致系统噪声导致系统噪声w1(k) .w 4( k) 的噪声的噪声nd(k )与与n (k) 的的方差为方差为车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 3) 卡尔曼滤波模型卡尔曼滤波模型基于基于 (4 -6).( 4-7)和和(4-8)可以利用规范的卡可以利用规范的卡尔曼滤波来估计车辆的位置。为减少计算尔曼滤波来估计车辆的位置。为减少计算量，此处运用复数表示的卡尔曼滤波模型。量，此处运用复数表示的卡尔曼滤波模型。形状向量、观测向量以及相应的形状转移形状向量、观测向量以及相应的形状转移矩阵

14、、观测矩阵和系统噪声等表示为复数矩阵、观测矩阵和系统噪声等表示为复数方式如式方式如式(4-11a)(4-11i)所示，所示，车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 因此(4-6)(4-8)的系统形状方程和观测方程可简化为车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 规范卡尔曼滤波递推方程如图规范卡尔曼滤波递推方程如图4-3所示。所示。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 在上在上 述述 递递 推过程中，可用推过程中，可用(4-13)式来判别卡尔曼式来判别卡尔曼滤波结果的有效性，滤波结果的有效性， 当上式不满足，且当上式不满足，且GPS信号长时间无效，形状估计信号长时间无效，形状估计偏向

15、将越来越大，因此，当偏向将越来越大，因此，当GPS信号重新有效时，信号重新有效时，协方差需求用下述规那么调整协方差需求用下述规那么调整:车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用仿真实验仿真实验 基于上述卡尔曼滤波模型，根据实践中采集的数据产生一基于上述卡尔曼滤波模型，根据实践中采集的数据产生一条参考轨迹，图条参考轨迹，图4-4分别为参考轨迹、分别为参考轨迹、GPS数据、数据、DR数据数据和卡尔曼滤波后的结果，其中，和卡尔曼滤波后的结果，其中，GPS定位误差为：东向定位误差为：东向x5米，北向米，北向y5米；陀螺仪的漂移为米；陀螺仪的漂移为5度度/秒，测速计误差秒，测速计误差为为0.5米米/秒

16、。秒。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 图图45为部分放大表示图，表示了为部分放大表示图，表示了GPS定位误差和卡尔曼定位误差和卡尔曼滤波结果相对与参考轨迹的误差。滤波结果相对与参考轨迹的误差。 可见，利用卡尔曼滤波模型可以对可见，利用卡尔曼滤波模型可以对DR的独立定位结果进展的独立定位结果进展一定程度的改善。从图中可看出，一定程度的改善。从图中可看出，GPS本身具有不随时间本身具有不随时间累积的定位误差，但累积的定位误差，但DR误差随时间延伸而增大。当误差随时间延伸而增大。当GPS定定位结果有效时，位结果有效时，GPS/DR 组合的卡尔曼滤

17、波具有平滑车辆组合的卡尔曼滤波具有平滑车辆运转轨迹的作用，但定位精度没有得到明显的改善，这是运转轨迹的作用，但定位精度没有得到明显的改善，这是由于由于DR传感器此实验用陀螺仪和速度计的精度较低的传感器此实验用陀螺仪和速度计的精度较低的缘故。假设陀螺仪的飘移为缘故。假设陀螺仪的飘移为0.05度度/ 秒，速度计的误差为秒，速度计的误差为0.05米米/秒，那么秒，那么GPS/DR组合定位的结果将优于组合定位的结果将优于GPS的定位的定位精度。精度。车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用GPS/DR结合滤波器的设计结合滤波器的设计 Calson 提出的结合

18、滤波器是由众多子滤波器和一个主滤波器提出的结合滤波器是由众多子滤波器和一个主滤波器进展两阶段数据处置进展两阶段数据处置, 其独特之处在于采用了信息分配原理其独特之处在于采用了信息分配原理, 即将滤波器的输出结果即将滤波器的输出结果(包括形状估计、估计误差协方差矩阵包括形状估计、估计误差协方差矩阵和系统噪声矩阵和系统噪声矩阵) 在几个子滤波器中进展适当分配在几个子滤波器中进展适当分配, 各子滤波各子滤波器结合各自的观测信息完成部分估计器结合各自的观测信息完成部分估计, 其结果再送入主滤波器其结果再送入主滤波器进展交融进展交融, 从而得到全局最优估计。从而得到全局最优估计。车载车载GPS定位技术与

19、应用定位技术与应用自顺应结合自顺应结合Kalman 滤波模型滤波模型 1、自顺应结合、自顺应结合Kalman 滤波器构造方案滤波器构造方案GPS/ DR 组合导航系统数据交融构造框图组合导航系统数据交融构造框图车载车载GPS定位技术与应用定位技术与应用 这是一种可重构的、自顺应的、改良型的简化结合卡尔曼滤这是一种可重构的、自顺应的、改良型的简化结合卡尔曼滤波器波器, 其主要特点如下其主要特点如下: ( 1) 本系统包含了两个部分卡尔曼滤波器本系统包含了两个部分卡尔曼滤波器, 它们分别处置它们分别处置GPS 和和DR 传感器的量测数据。数据在送入卡尔曼滤波器之前需传感器的量测数据。数据在送入卡尔

20、曼滤波器之前需经过一定的预处置过程经过一定的预处置过程, 包括时间对准包括时间对准(为完成动态轨迹交融为完成动态轨迹交融进展时间上的一致进展时间上的一致) , 空间对准空间对准(进展各自导航坐标系到公共进展各自导航坐标系到公共坐标系的转换坐标系的转换) , 以及在智能控制模块控制下的野值剔除和误以及在智能控制模块控制下的野值剔除和误差补偿等。差补偿等。 (2) 系统中无公共参考系统系统中无公共参考系统, 主滤波器不进展滤波运算主滤波器不进展滤波运算, 仅完仅完成对两个分系统信息的最优交融估计。这样成对两个分系统信息的最优交融估计。这样, 系统计算量很系统计算量很小小, 而总体系统前向滤波速度最快而总体系统前向滤波速度最快, 对车载对车载GPS/DR 组合导航组合导航来说来说, 其构造是较佳的。其构造是较佳的。 (3) 智能控制模块以对各传感器和各子滤波器形状评价为根智能控制模块以对各传感器和各子滤波器形状评价为根底对系统进展重构和自顺应调整底对系统进展重构和自顺应调整, 其目的是为了保证系一致其目的是为了保证系一致直处于最正确的组合形状直处于最正确的组合形状, 以得到最好的输出以及使系统具以得到最好的输出以及使系统具有很强的容错才干。有很强的容错