GPS与DR的组合定位

1、智能交通系统和车载导航课程报告专业方向：测绘工程A方向姓名：学号：A：我感兴趣的方向对我个人来说，我的兴趣应该在具体的实际应用方面，对应到课堂上的内容就是关于导航系统中具体的定位方法那一部分。B：重要内容a 车载导航系统中信息控制和信息利用的基本原理b 车载导航系统的导航原理c 导航系统的核心算法C：主要难点导航数据的实现模型导航地图的概念模型和 GDF4.0导航系统的核心算法D：课堂上应当补充的知识a 关于导航系统较为具体的实际应用b 关于各种导航系统的发展前景和趋势E：对于课程的建议我个人认为，犹豫资源和时间的限制，我们这门课程缺失的主要 是实践部分，学了这么多理论知识，可是同学们大多数都

2、没有实际操 作过导航仪器，希望能在实际硬件操作方面有所改进。F：选做题:GPS 与 DR 的组合定位单一的 GPS 定位在车载导航中的现状和缺点对于现如今的车载导航来说，我们运用的主要定位方法还是基于 GPS 的.在发达国家，运用 GPS 系统进行汽车自主导航已经是非常成 熟。目前国际上已经形成了日本、欧洲和北美三大市场，日本是汽车 导航产品概念的提出者和市场的推广者，经过数年的技术发展和市场 推广，产品的技术和工艺日趋成熟，并在产品的技术先进性方面在市 场中处领先地位。以汽车导航系统为例，由于电子地图与消费电子技 术的高度发展，再加上智能型运输系统的成熟，使得日本成为目前全 球汽车导航系统普

3、及率与市场值最高的国家。据调查显示，日本的 GPS 系统车载使用率高达 59%，而 2000 年以来出产的新车中的 30% 安装了 GPS 导航系统，目前年销售量维持在几百万套。2000 年日本 的汽车导航系统销售值约为670 万美元，占全球市场的77.9%，而欧 洲与北美分别仅占13.9%与 6.9%。不过2004 年后，随着汽车导航系 统的日渐普及，欧洲与北美的市场将成长至710万美元与590万美元， 各占市场比例的 27%与 22.5%，而日本市场则因为普及率高使成长率 逐渐趋缓。GPS以其全球性、全天候及被动式的定位原理等诸多优势 无可争议地成为了现在最为广泛使用的定位手段。但是由于城

4、市环境 的复杂性,单点定位的精度, 即使在无 SA 技术的影响下, 也只能保持 在 15-25m 之间。这严重地限制了其在车辆导航定位中的应用, 城市环境引起GPS定位误差的原因主要有如下几种：（1）多路径效应从建筑物上反射的 GPS 信号进人接收机而引起的定位误差。由于 这种误差的大小是取决于观测环境的 , 在动态定位的情况下很难建 立合适的算法予以改正, 而只能在硬件设计上进行考虑, 比如加大抑 径板、将GPS天线安放在车辆的最顶端等措施以尽量减小其影响。但 其残留的误差在车辆定位中仍不能到达被忽略的程度;（2）信号遮挡和丢失由于茂密的树林等对信号的遮挡使GPS信号减弱、信噪比下降而 引起

5、的定位误差信号失由“城市峡谷”立交桥和隧道的影响，使GPS 信号短暂丢失而引起的定位误差；（3）GPS接收机动态测量范围的局限性而引起的定位误差；（4）在弱观测环境中首次定位的时延误差。这些情况最终会导致两种情况一是接收机不能提供任何定位结 果或只能重复上一次的有效定位结果或是定位的精度严重下降，有时 最大甚至会超过500m。考虑到GPS信号在城市环境中会受到严重的 干扰，许多GPS接收机制造商都将复杂的算法融人到了 GPS接收机中 以试图改善因信号减弱或星源不足而带来的影响。例如, 诸多算法均 假设用户高度保持不变或运动方向保持不变。有时这种假设是合理的, 但大多数情况下这种假设将严重地影响

6、最后的定位结果。以使定位数 据不能真实地反映车辆的运行情况。DR 的定位原理DR (dead reckoning)系统，其定义为：利用表征航向和速度的矢 量根据船舶某一时刻的位置推算出另一时刻位置的导航方法。最早应 用于船舶上, 它利用罗盘测量的方位和船只行使的速率来计算其相 对于起始时刻的位置 , 考虑到车辆能够提供更高精度的行使速率和 方向, 系统在车辆导航中应用会更加合理、精确。假设在当地水平坐 标系下,车辆的初始位置为(%0,儿),初始航向为0，每隔一定的 时间T采集到距离信息令与航向信息九,则车辆在任意时刻的位置可 由下式推出：采用这种算法得到的是平面直角坐标，若想得到大地坐标还应进

7、 一步转换。GPS 与 DR 的组合定位的原理DR 系统采用低成本的陀螺仪和车辆里程表构成，通过对车辆航 向角变化量和车辆位置变化量的测量，递推出车辆的位置变化，因此 能够提供连续的、相对精度很高的定位信息。其自主导航的基本原理 主要是：在车辆定位应用中，车辆的运动可以看作是在2维平面上的 运动，如果已知车辆的起点位置坐标和初始航向角，通过实时测量车 辆的行驶距离和航向角的变化，就可以推算出车辆的每个时刻的2维 坐标。由于DR系统自身不能提供车辆的初始位置坐标和初始航向角, 无法得到航位推算系统的初始值，且在进行航位推算时，随着时间的 推移和行驶距离的增加，其误差逐步累计发散，因此单独的航位推

8、算 系统不能用于长时间的独立定位，需要用其他手段对积累误差进行适 当补偿，它不适合自主导航。当DR系统与GPS系统组合，GPS系统 提供的绝对位置可以为 DR 系统提供航位推算的初始值，并可以对 DR系统进行定位误差的校正和系统参数的修正，同时DR系统的连续 推算具有很高的相对精度，可以补偿GPS系统定位中的随机误差和定 位的断点，使定位的轨迹能够平滑。因此， GPS/ DR 组合导航系统的 特点可以解决工程存在的诸多技术问题。4. GPS 与 DR 组合导航的系统算法实现在车辆行进中，当 GPS 信号失效或者误差很大时， GPS/ DR 系 统切换到 DR 工作状态，这样可以确保道路轨迹不中

9、断，到 GPS 信 号恢复正常，GPS系统和DR系统均可获得数据，对两者的数据进行 优化和处理，可提高 GPS 导航数据精度。如今主要采用 GPS 系统和 DR 系统的联合卡尔曼滤波来实现两种信息的最优组合。联合卡尔曼 滤波算法，是在GPS系统和DR系统数据同时数据处理中，根据两个 系统的数据质量自适应调节两个系统在定位解中的作用，这种数据融 合方案实现了 GPS/DR组合导航系统定位信息的最优融合。（1）GPS/DR 系统的状态方程当表现为状态空间模型时，卡尔曼滤波可以达到对系统状态的估 计，系统状态可以包括任何数量的未知数。在GPS/DR组合导航中， 最重要的状态量是位置和速度，可采 用

10、6个状态量的卡尔曼滤波器。 GPS/ DR 导航系统的状态方程为：X，( t) = AX( t) + W式中, A 是系统转移矩阵； W 是系统白噪声矢量。状态变量矢量 X( t) 为 6 阶 , 其表达式为X= x , x , y , y & s其中,x , y为车辆在坐标系中的位置；x , y为车辆在坐标系中的速度;为陀螺仪漂移速率；s为里程仪标定误差。(2). GPS/DR 系统观测方程系统的观测方程的作用是将 GPS，DR 的有关信息组合在一起， 由此可以得到系统的观测矢量 Z 为：Z m = h m.X m + m式中, h m 是系统的观测矩阵。. 联合卡尔曼滤波算法在联合卡尔曼滤

11、波器中，联合滤波是一种具有两级结构的分散化 滤波方法，其滤波器由两个子滤波器和一个主滤波器组成，各个子滤 波器独立地进行时间更新和测量更新，然后按以下规则将整体信息分 配至局部滤波器Xo = M .Xo式中，Mi为全局状态向量和局部状态向量的联系矩阵；i指第i个 局部滤波器。初始条件信息分配:P0 = ( 1/氏)MPoM 孑Po = E X( 0) XT( 0)过程噪声方差分配：Q0 = （ 1/） MQoM根据信息守恒原理，分配系数B满足工B i = 1，经信息分配后总体估计X m 为最优，有：HIXm = Pmi I.mpm = f 52 p；;-1为了获得总体最优，所有局部滤波器应同时

12、工作，局部滤波器的计算 结果由主滤波器输出同时更新，即：Xk MjXmk5. GPS/DR导航系统在公路网的应用对于中国公路网GPS测绘工程，引入GPS/ DR组合导航系统，不仅 可以确保公路轨迹的完整性，而且可以较好地解决公路里程及桥梁长 度不准确等诸多问题。它主要具有以下特点：（1）.当测量型 GPS 接收机无法接收信号而导航 GPS 能够工作时， GPS/ DR导航比单独GPS导航精度明显提高。假设每天都有几条道 路需要用导航数据补充差分数据，那么采用 GPS/ DR 组合导航系统 对提高成果整体精度有重要意义。（2）.对于大型桥梁、堤坝等附属物位置的记录，在工程实施中主要 依靠导航时间来决定，通过记录的时间在差分数据中寻找匹配的位置 并计算其长度，实际上大型桥梁、堤坝等附属物的长度计算精度很差， 例如对于 30 多米的桥梁，长度计算成果与用皮尺丈量相比可相差5 m 左右，精度相当差，实践中需要人工用测距仪或皮尺测量。所以 对于桥梁等相对位置要求精确的附属物，GPS/ DR组合系统可以 发挥 DR 系统相对位置精度高的优势，可大大加快工作速度。（3）.对于公路里程的计算，采用 3 维坐标进行累计计算，由于 GPS 在高程数据处理方面精度较差，特别对于山区道路，处理成果与实际 长度相差往往较大。采用 GPS/ DR 组合导航系统，直接采用里程计 数据，成果相比要