惯性车载导航系统

1、PBOX-100TeL:车载组合导航系统( Car Integrated Navigation System)PBOX-100用户手册V1.0上海航姿测控科技有限公司2017 年7月1日0PBOX-100TeL:1 系统介绍 .11.1 产品概述 .11.2 产品特点 .11.3 产品优点 .11.4 产品应用 .22设计原理 .23电器特性 .43.1极大值参数 .43.2电器特性 .44性能指标 .55机械尺寸 .76坐标系和安装方位 .76.1坐标系 . .76.2安装方位 .87使用说明 .87.1传感标定 .87.2通信接口 .87.3通信频率 .97.4通信协议 .97.5控制命令

2、 .98 注意事项 .119 固件升级 .12附录： . .121 GPGGA.122 GPRMC .133 GPATT.141PBOX-100TeL:1 系统介绍1.1 产品概述PBOX-100是一款高性能的面向车载导航领域的车载组合导航系统，系统包含高性能的同时支持北斗和 GPS的卫星接收机芯片、 三轴陀螺仪、三轴加速度等； 通过在线的自适应组合导航算法， PBOX-100提供实时高精度的车辆定位、测速和测姿信息，在 GNSS系统的信号精度降低甚至丢失卫星信号时，不借助里程计信息， PBOX-100利用纯惯性导航技术，也可在较长时间内单独对汽车载体进行高精度定位、测速和测姿。图 1. PB

3、OX-1001.2 产品特点元件选型：高性能三轴陀螺仪和三轴加速度计；误差补偿：完成正交误差/ 温度漂移等误差补偿；唯一防盗：每个产品标定参数均不一致防盗版；物理尺寸：紧凑模块化设计可节省用户产品空间；通信协议：即插即用的标准通信协议NEMA0183；工程安装：无安装角度要求方便用户车载安装；亚米级：支持 RTCM2.3协议 / 复杂环境亚米级导航；1.3 产品优点陀螺漂移：消除陀螺漂移获高精度姿态航向信息；加速噪声：消除震动加速度获高精度速度信息；零速修正：零速修正算法可防止导航数据漂移；软件算法：基于自适应的扩展卡尔曼滤波算法；智能识别：识别并隔离有较大误差的GNSS数据；1PBOX-10

4、0TeL:摆脱里程计：利用纯惯性导航实现高精度定位；导航技术：组合导航和纯惯导航技术自主切换；1.4 产品应用车辆高精度导航公交车智能交通车辆远程监控2 设计原理图 2.设计原理图卫星导航系统：卫星导航系统具有实现全球、全天候、高精度的导航等优点；但卫星导航系统容易收到周围环境的影响，例如树木楼房等，造成多路径效应，使得定位结果精度降低甚至丢失，尤其是在隧道等室内环境中，卫星导航系统基本无法使用。2PBOX-100TeL:另外，即使在空旷的环境下， 当载体速度非常低时， 卫星导航系统获得载体方位信息（航向角）也会产生较大误差。惯性导航系统 :惯性导航是以牛顿力学定律为基础， 通过测量载体在惯性

5、参考系的加速度， 将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标中，就能够得到在导航坐标中的速度、偏航角和位置等信息，同时可以获得载体的载体信息。但惯性导航系统由于陀螺仪零点漂移严重，车辆震动等因素，致使无法通过直接积分加速度获得高精度的方位和速度等信息，即现有的微惯性导航系统很难长时间独立工作。组合导航系统：卫星 / 惯性组合导航充分利用惯性导航系统和卫星导航系统优点，基于最优估计算法 卡尔曼滤波算法融合两种导航算法，获得最优的导航结果；尤其是当卫星导航系统无法工作时，利用惯性导航系统使得导航系统继续工作，保证导航系统的正常工作， 提高了系统的稳定性和可靠性。摆脱里程计常规车载导航系统往往依靠里程

6、计和陀螺仪的DR 方案，实现汽车复杂环境下的高精度导航定位，里程计信号对于很多汽车后装市场而言，连接非常复杂，而且涉及汽车安全问题。经过多年的研发，在GNSS系统的信号精度降低甚至丢失卫星信号时，PBOX-100 系统完全摆脱了对里程计依赖， 仅仅利用纯惯性导航技术， 也可在较长时间内单独对汽车载体进行高精度定位、测速和测姿，与市场上现有的相关产品相比，性能得到了较大地提升。当然， PBOX-100 系统可以连接里程计信号，将会获得更好的性能指标。车辆姿态角PBOX-100 导航系统利用多年对MEMS 惯性器件的研究经验， 通过自适应滤波算法实现了对陀螺仪漂移和加速度震动信号的滤波，并进一步可

7、以获得高精度的姿态信息，从而可以满足坡道检测等车辆监控和导航应用的各种需求。PBOX 导航系统PBOX-100 导航系统提出了卫星导航精度的智能识别算法，基于组合导航提供的高精度导航信息，对卫星导航的定位精度进行识别，如果卫星导航精度较好，则进行组合导航，一旦发现卫星导航信号非常差甚至丢失信号，则进行纯惯性导航，总之，PBOX-100 导航系统实现了组合导航和纯惯性导航的自主切换。3PBOX-100TeL:3 电器特性PBOX-100 导航产品的电器特性：3.1 极大值参数参数电源指标单位电源电压电源电流环境操作温度5230 to 85VA度存储温度3.2 电器特性40 to 125度参数电气

8、输入电压 Vdd电流功耗时间上电到第一个有效数据时间1 特别强调：本产品内部有通讯模块，瞬时最大电流会达到指标单位5V350【1】mA1750mW30S2A ，注意供电电流要求能达到2A 。4PBOX-100TeL:4 性能指标里程计时GNSS 信号丢失时间接收机定位方式水平位置5 秒标准定位1.0-2.0m10秒标准定位1.5-5.5m30秒标准定位3.0m60秒标准定位5.0m1. 一倍标准差（ 1 ）无里程计时GNSS 信号丢失时间接收机定位方式水平位置5 秒标准定位2.0-3.5m10秒标准定位10.0m60秒标准定位25.0m120标准定位60.0m1. 一倍标准差（ 1 ）GPS

9、部分性能参数接收机类型11水平速度 1俯仰横滚角 1航向角0.05m/s0.3deg1.0N/AN/AN/AN/AN/AN/A0.30m/s0.4deg1.0deg水平速度 1俯仰横滚角 1航向角0.05m/s0.5deg1.0N/AN/AN/AN/AN/AN/A0.5m/s1.0deg2.0deg指标72 通道 ublox M8 引擎 GPS L1C/AGLONASS L1OFBeiDou B111TTFF冷启： 27s温启： 3s热启： 1s辅助启动： 5s灵敏度跟踪定位： -165dBm重捕获： -160dBm冷启动： -148dBm温启动： -148dBm热启动： -156dBm水平定

10、位精度自主定位： 2.5mSBAS ：2.0m授时精度RMS ： 30ns99% ： 60ns速度精度0.05m/s航向精度0.3degrees操作限制动态 =4g高度 =50,000m速度 =500m/s5PBOX-100TeL:5 机械尺寸6 坐标系和安装方位6.1 坐标系PBOX的坐标系如图 5 所示， XYZ(前侧上 )轴满足右手定则。图 5 PBOX-100 的坐标系6PBOX-100TeL:6.2 安装方位PBOX-100 安装方式大致如图6 所示，没有严格安装角度限制，大致如此即可，从而方便用户车辆安装。图 6 PBOX-100安装方式7 使用说明7.1 传感标定由于芯片制造工艺

11、等问题，每个 PBOX-100 的各个传感器元件（三轴陀螺仪、三轴加速度计）的零点、灵敏度和温漂等参数都不一样，为了使每个 PBOX-100 达到相同的性能指标，出厂前已经对 PBOX-100 的各个传感器元件进行了各种误差补偿。每个产品的传感器元件标定参数均不一样，如果采用相同的参数， 将会造成较大的导航误差，这种唯一性可用于防止了系统盗版，从而提高了用户产品的可靠性。7.2 通信接口PBOX-100 系统提供一个串口，用于发送卫星信息和接收差分信息。串口不提供硬件握手方式，且采用 8 位数据位、 0 位奇偶校验位， 1 位停止位（ 8-N-1 ）方式，波特率默认为 9600, 可根据用户要

12、求，可以修改为 115200 。7.3 通信频率目前，系统支持输出1hz 和 5hz 的数据刷新频率，默认频率为1HZ。7.4 通信协议目前，PBOX-100 系统输出常见的NMEA0183 协议，例如：GPGGA、GPRMC，GPGSV, GPGSA，另外，为了输出汽车姿态信息，PBOX-100 系统定义了一组通信协议GPATT。7PBOX-100TeL:7.5 控制命令PBOX-100 系统支持用户通过串口发控制命令实现如下功能，但是，PBOX-100 无法保存设置，即 PBOX-100 每次上电都是按默认方式输出。表 1 惯性导航使能类型类型属性通信协议默认值备注1log gpins使能

13、惯性导航默认结果请见协议 GPATT2unlog gpins关闭惯性导航结果请见协议 GPATT表 2 输出频率设置类型类型属性通信协议默认值备注1log ghigh实现 5HZ输出结果请见输出协议2unlog ghigh实现 1HZ输出默认结果请见输出协议表 3 ATT 协议使能类型类型属性通信协议默认值备注4log gpatt打开 GPATT默认结果请见输出协议8unlog gpatt关闭 GPATT结果请见输出协议表 4 ZDA 协议使能类型类型属性通信协议默认值备注1log gpzda打开 GNZDA结果请见输出协议2unlog gpzda关闭 GNZDA默认结果请见输出协议表 5 G

14、SV协议使能1log gpgsv打开 GPGSV,GPGSA结果请见输出协议2unlog gpgsv关闭 GPGSV,GPGSA默认结果请见输出协议表 6 BD/GLONS 选择类型类型属性通信协议默认值备注1log gpgbd选择 GPS+BD结果请见协议 GPATT8PBOX-100TeL:2unlog gpgbd选择 GPS+Glonass默认结果请见协议 GPATT表 7波特率设置类型类型属性通信协议默认值备注4log g4800选择 4800结果请见输出协议5log g9600选择 9600默认 1结果请见输出协议6log g1920选择 19200结果请见输出协议7log g384

15、0选择 38400结果请见输出协议8log g1152选择 115200默认 2结果请见输出协议备注：（ 1 ） 命令全部为小写字母；（ 2 ） log 和 unlog 后面有一个空格键。（ 3 ） GPATT 协议包含了很多产品信息，建议用户保留该协议的输出，方便查询问题。（ 4 ） GPGSV,GPGSA占用串口资源，建议用户使用惯性导航功能时关闭两组协议。（ 5 ） PBOX-100 有两种默认波特率 9600/115200 ，请用户订货时确认所需的波特率。（ 6 ） PBOX-100 执行各种用户命令需要的执行时间，具体情况如下表所示，如果用户发命令请确保改命令的执行。序号命令类型所需

16、时间1惯性导航使能20ms2输出频率设置20ms3ATT 协议使能20ms4ZDA 协议使能20ms5GSV协议使能500ms6BD/GLONS 选择500ms7波特率设置20ms8 注意事项PBOX-100 系统作为一款高性能的车载组合导航系统，在使用过程中，也需要用户注意一些使用事项，如表：序号准备工作重要性1上电前，大致按着图5 安装，无具体安装角度要求；必须2上电前，固连车体和PBOX-100；必须9PBOX-100TeL:138189333973上电后，不能再移动 PBOX-100；必须4车体移动前，确保用户 GPS/BD 系统输出规定的协议必须序号组合导航初始化过程重要性1上电后，

17、静止 5-10 秒以上，完成导航系统的姿态初始化；必须2汽车移动后，尽量保持 PBOX-100 导航系统在空旷的地方行驶一定时间，进行组合导航系统的算法收敛，然后在进入隧道等复杂环境下进行测试。进一步说明：总结：组合导航系统初始化过程， 建议车辆首先在无遮挡的环境下行驶大约几分钟， 然后再进入有遮挡环境下，组合导航系统的定位效果才会好。9 固件升级为了方便用户使用， 本产品支持串口升级固件功能，我方将提供了 sourceCRT 软件进行升级，具体步骤如下：1、设置 sourceCRT 通信参数如图所示：10PBOX-100TeL:2、 sourceCRT 设置后，通过键盘输入字符UPSOFT，

18、进入固件升级菜单，如图所示：3、通过键盘输入字符 1 ，进入固件升级流程，在菜单中选择“传输” ，并在文件名里面选择待升级固件 bin 文件，在协议栏里面选择“发生 YMODEM ”，然后点击“确定” （在升级完毕前保持电源） ，过程如图所示：11PBOX-100TeL:4 、当显示“ Programming Completed Successfully!”字样时，固件升级成功。附录：1 GPGGA例如： $GPGGA,062938.00,3110.4700719,N,12123.2657056,E,1,25,0.6,58.9666,M,0.000,M,99,AAAA*5012PBOX-100

19、TeL号名称描述符号举例1$GPGGALog header$GPGGA2utcUTC时间 (时/分/秒)hhmmss.ss202134.003lat纬度： -9090 度llll.lllllll3110.46939034latdir纬度方向： N ：北； S ：南aN5lon经度： -180180 度yyyyy.yyyyyyy12123.26216956londir经度方向： E ：东； W ：西bW7QF解状态0 ：无效解；q41 ：单点定位解；2 ：伪距差分；8sat No.卫星数n149hdop水平 DOP 值x.x1.010alt高程h.h50.2211a-u

20、nits高程单位MM14age差分延迟dd115stn ID基站号： 0000-1023，xxxx1单机时： AAAA16*xxChecksum*hh17CRLFSentence terminatorCRLF2 GPRMC例如： $GNRMC,064401.65,A,3110.4706987,N,12123.2653375,E,0.604,243.2,300713,0.0,W,A*3E编号名称描述符号举例1$GPRMCLog header$GPRMC2utcUTC时间 (时/ 分/ 秒)hhmmss.ss143550.00解状态：3Pos statusA= 有效定位AAV= 无效定位4lat纬

21、度： -9090度llll.lllllll3110.48549115latdir纬度方向： N ：北； S ：南aN6lon经度： -180180度yyyyy.yyyyyyy12123.91292787londir经度方向： E：东； W：西bE8SPEED IN地面速率q0.2913PBOX-100TeL:138189333979Track Ture地面航向角n108.510DateUTC 日期ddmmyy01090911Mag var磁偏角（000.0180.0 度，前导位数不0.00.0足则补 0）12Vardir磁偏角方向， E（东）或 W（西）MM模式指示（仅 NMEA0183 3.00版本输13Mode ind出， A= 自主定位， D= 差分， E=估算，aAN=数据无效）14*xxChecksum*hh*5715CRLFSentence terminatorCRLF3 GPATT例如：编号名称描述符号举例1$GPATTLog header$GPATT2Pitc