哈尔滨工业大学-项目10导航定位技术

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页项目10导航定位技术—定义导航定位是负责实时提供智能网联汽车的运动信息，包括位置、速度、姿态、加速度、角速度等，一般采用的是多传感器融合定位的方式。智能网联汽车的导航定位通过全球卫星定位系统（GPS）、北斗卫星导航定位系统（BDS）、惯性导航系统、视觉SLAM、激光雷达SLAM等，获取车辆的位置和航向信息。

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页项目10导航定位技术—定义绝对定位：是指通过GPS或BDS实现，采用双天线，通过卫星获得车辆在地球上的绝对位置和航向信息相对定位：是指根据车辆的初始位姿，通过惯性导航获得车辆的加速度和角加速度信息，将其对时间进行积分，得到相对初始位姿的当前位姿信息组合定位：是将绝对定位和相对定位进行结合，以弥补单一定位方式的不足

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页项目10导航定位技术—定义L1、L2级，仅需要实现ADAS，导航级精度即可L3~L5级，实现自动驾驶，需要厘米级精度导航

智能网联汽车的导航定位技术主要有全球卫星定位系统（GPS）、北斗卫星导航定位系统（BDS）、惯性导航系统（INS）、通信基站定位、视觉SLAM定位、激光SLAM定位和高精度地图定位等项目10导航定位技术—卫星类型美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗卫星导航定位系统（BDS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星定位系统以及欧洲空间局的伽利略（GALILEO）卫星定位系统2026/3/27项目10导航定位技术—全球卫星定位系统全球卫星定位系统（GPS）是由美国国防部建设的基于卫星的无线电导航定位系统。它能连续为世界各地的陆海空用户提供精确的位置、速度和时间信息，最大优势是覆盖全球，全天候工作，可以为高动态、高精度平台服务，目前得到普遍应用2026/3/27项目10导航定位技术—全球卫星定位系统卫星：大约有30颗GPS卫星、约2万千米在太空运行地面监控设备：分散在世界各地，用于监视和控制卫星，其主要目的是让系统保持运行，并验证GPS广播信号的精确度GPS用户：由GPS接收机和GPS数据处理软件组成。2026/3/27全球卫星定位系统——原理GPS定位时要求接收机至少观测到4颗卫星的距离观测值才能同时确定出用户所在空间位置及接收机时钟差2026/3/27全球卫星定位系统——特点（1）全球全天候定位：因为GPS卫星数目较多，且分布均匀，保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到4颗GPS卫星，确保实现全球全天候连续导航定位服务（2）覆盖范围广：能够覆盖全球98%的范围，可满足位于全球各地或近地空间的军事用户连续精确地确定三维位置、三维运动状态和时间的需要（3）定位精度高：GPS相对定位精度在50km以内可达6~10m，100~500km可达7~10m，1000km可达9~10m2026/3/27全球卫星定位系统——特点（4）观测时间短：20km以内的相对静态定位仅需15~20min；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距15km以内时，流动站观测时间只需1~2min；采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟（5）全球统一的三维地心坐标：同时精确测定测站平面位置和大地高程（6）测站之间无需通视：只要求测站上空开阔，可省去经典测量中的传算点、过渡点等的测量工作2026/3/27差分全球定位系统差分全球定位系统（DGPS）是在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度；由基准站、数据传输设备和移动站组成2026/3/27差分全球定位系统——位置差分安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的观测坐标由于存在着轨道误差、时钟误差、大气影响、多径效应以及其他误差等，解算出的观测坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差将已知坐标与观测坐标之差作为位置改正数，通过基准站的数据传输设备发送出去，由移动站接收，并且对其解算的移动站坐标进行改正位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况2026/3/27差分全球定位系统——伪距差分利用基准站已知坐标和卫星星历可计算出基准站与卫星之间的计算距离，将计算距离与观测距离之差作为改正数，发送给移动站，移动站利用此改正数来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加，又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的；用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响2026/3/27差分全球定位系统——载波相位差分载波相位差分（RTK）技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度在RTK作业模式下，基站采集卫星数据，并通过数据链将其观测值和站点坐标信息一起传送给移动站，而移动站通过对所采集到的卫星数据和接收到的数据链进行实时载波相位差分处理（历时不足1s），得出厘米级的定位结果2026/3/27GPS/DR组合导航定位系统车辆航位推算（DR）方法是一种常用的自主式车辆定位技术，它不用发射接收信号，不受电磁波影响，机动灵活，只要车辆能达到的地方都能定位DR是利用载体上某一时刻的位置，根据航向和速度信息，推算得到当前时刻的位置，即根据实测的汽车行驶距离和航向计算其位置和行驶轨迹。它一般不受外界环境影响，但由于其本身误差是随时间积累的，单独工作时不能长时间保持高精度2026/3/27GPS/DR组合导航定位系统2026/3/27GPS/DR组合导航定位系统GPS/DR组合导航定位系统由GPS以及电子罗盘、里程计和导航计算机等组成2026/3/27GPS/DR组合导航定位系统关键在于如何将两者的数据融合，以达到最优的定位效果将GPS和DR的定位信息综合用于定位求解，通过卡尔曼滤波来补偿修正DR系统的状态，同时滤波之后的输出又能够为DR系统提供较为准确的初始位置和航向角，从而能够获得比单独使用任意一种定位方法都更高的定位精度和稳定性2026/3/27北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统（BDS）：是由中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航定位系统。北斗卫星导航定位系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。2026/3/27北斗卫星导航定位系统——组成2026/3/27北斗卫星导航定位系统——特点（1）空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。（2）提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。（3）创新融合了导航与通信功能，具备定位导航授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力。2026/3/27惯性导航系统——定义惯性导航系统（INS）是一种利用惯性传感器测量载体的角速度信息，并结合给定的初始条件实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。具体来说，惯性导航系统属于一种推算导航方式。即从一已知点的位置根据连续测得的运动载体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。2026/3/27惯性导航系统——原理惯性导航系统一般采用加速度传感器和陀螺仪传感器来测量载体参数2026/3/27惯性导航系统加速度传感器和陀螺仪结合是就是惯性测量单元（IMU），一个解决速度，一个解决方向。IMU的一个重要特征在于它以高频率更新，其频率可达到1000Hz，所以IMU可以提供接近实时的位置信息惯性导航系统可以看成是IMU与软件的结合。通过内置的微处理器，能够以最高200Hz的频率输出实时的高精度三维位置、速度、姿态信息2026/3/27惯性导航系统——作用弥补GPS：在GPS信号丢失或者很弱情况下，暂时填补GPS留下的空缺，用积分法取得最接近真实的三维高精度定位配合激光雷达：GPS+IMU为激光雷达的空间位置和脉冲发射姿态提供高精度定位，建立激光雷达云点的三维坐标系2026/3/27惯性导航系统——优点（1）由于它是不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰影响（2）可全天候在全球任何地点工作（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低（4）数据更新率高，短期精度和稳定性好2026/3/27惯性导航系统——缺点（1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间（3）不能给出时间信息2026/3/27项目10导航定位技术——函数2026/3/27项目10导航定位技术——函数2026/3/27项目10导航定位技术——仿真实例2026/3/27项目10导航定位技术——仿真实例2026/3/27项目10导航定位技术——仿真实例2026/3/27项目10导航定位技术——仿真实例2026/3/27项目10导航定位技术——仿真实例2026/3/27项目10导航定位技术—