汽车基础环境部件及标定 13

组合导航系统的工作原理主讲老师：XXX项目6：组合导航系统的装调与故障诊断01学习情境LearningSituation02学习目标LearningObjectives03资料收集DataCollection06课堂总结Summary目录05课堂练习Afterclasstraining04思政专栏IdeologicalandPoliticalColumn学习情境LearningSituationPART01学习情境高精度组合导航定位技术已经成为自动驾驶汽车的标准配置，一位客户来到你们公司想要购买一辆具有ADAS功能的车辆。经理安排你结合组合导航技术向客户介绍合适的车型，让客户能够了解组合导航系统的工作原理和功能，从而能够选到合适的车辆。组合导航学习目标LearningObjectivesPART02学习目标素养目标1.鼓励学生发展创新精神，不断探索组合导航系统的新应用、新技术。2.激发学生积极学习汽车新技术、新工艺，适应行业发展需求。3.激发学生的终身学习意识，鼓励他们不断更新知识，适应技术发展和行业变化。1.能阐述导航定位的定义与类型；2.能说出导航卫星系统的类型；3.能叙述北斗卫星导航定位系统的定义和基本组成；4.能说出组合导航定位系统的功能；5.能阐述惯性导航系统的基本概念和工作原理；6.区别高精度地图与导航地图。知识目标资料收集DataCollectionPART03一、导航定位技术1.导航、定位、导航定位的概念及其关系导航是指监测和控制物体从一个地方转移到另地方，在转移的过程中保证路线和运动的准确性。定位是利用仪器设备产生二维或三维的坐标进行物体位置信息的确定。定位是导航的第一步，导航是定位的一个连续过程，导航涉及路径规划和决策引导。因此，定位是导航的关键。一、导航定位技术2.导航定位的类型按照定位的方式，智能网联汽车定位可分为绝对定位、相对定位和组合定位。方式特点绝对定位通过GPS或BDS实现，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（1）按照定位方式划分一、导航定位技术2.导航定位的类型按照工作原理划分，导航定位的类型见下表。（2）按照工作原理划分类型工作原理卫星导航系统利用地球轨道上的导航卫星发射的信号进行定位。惯性导航系统基于物体的初始位置和随后的加速度与角速度变化，通过积分计算出物体的当前位置和姿态。视觉导航利用摄像头捕捉环境图像，通过图像处理和模式识别技术提取特征，进行场景识别和定位。超声波/雷达导航超声波导航利用超声波发射和接收的时间差来测量距离；雷达导航则利用无线电波的反射特性来探测物体的位置和速度。磁导航在特定环境中，如矿井、水下或室内，利用地磁场或人造磁场的变化来确定位置和方向。光导航使用光信号，如激光扫描（LIDAR）、结构光或LED灯等，通过测量光束的传播时间和角度，进行精确的距离和位置测量。二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统全球导航卫星系统（GNSS）包括美国的全球定位系统（GPS)、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星定位系统、欧洲空间局的伽利略（GALILEO）卫星定位系统以及中国的北斗卫星导航定位系统（BDS)。全球导航卫星系统二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统全球四大卫星导航系统参数见下表。导航系统卫星数量（颗）轨道高度（km）位置精度（m）授时精度（ns）速度精度（m/s）GPS24以上202006200.1GLONASS24以上1910012250.1BDS30以上2150010500.2GALILEO30以上241261200.1二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统全球定位系统（GlobalPositioningSystem，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，因其能够覆盖全球，全天候工作，可以提供高动态、高精度平台服务，成为目前应用最广泛导航卫星定位系统。全球定位系统二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统GPS由空间部分、地面监控部分和用户部分组成。（1）GPS的组成全球卫星定位系统组成二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统1）空间星座部分空间星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道平面上有4颗卫星，卫星轨道平面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，1个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。（1）GPS的组成空间星座部分二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统2）地面监控部分地面监控部分主要由1个主控站、5个监测站和3个注入站组成。（1）GPS的组成地面监控部分二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统3）用户部分用户部分主要是GPS接收器、卫星天线及相关设备，主要作用是从GPS卫星接收信号，并利用传来的信息计算用户地理位置的纬度经度、高度、速度和时间等信息。车载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。（1）GPS的组成用户部分二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统卫星至用户间的距离测量采用伪距测量方式，主要是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差实现的。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号（2）GPS的工作原理卫星导航原理二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统设GPS卫星的三维坐标分别为（X^j,Y^j,Z^j)，那么，距离交会法求解P点3维坐标（X,Y,Z）的观测方程为：（2）GPS的工作原理

二、导航卫星系统1.全球导航卫星系统（3）GPS的特点特点描述全球全天候定位GPS卫星数目较多、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。覆盖范围广覆盖全球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。定位精度高相对定位精度在50km以内可达6~10m；100~500km可达7~10m；1000km可达9~10m。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，每站观测时间仅需几秒钟。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。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。二、导航卫星系统2.差分全球定位系统DGPS组成和原理差分全球定位系统(DifferenceGlobalPositioningSystem，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。二、导航卫星系统2.差分全球定位系统位置差分技术是比较简单的一种差分技术，这种技术的特点就是在现有GPS接收机上做改进，从而实现差分定位。（1）位置差分位置差分系统二、导航卫星系统2.差分全球定位系统伪距差分系统是应用最广的一种差分技术，几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。伪距差分的基准站与流动站的测量误差与距离存在很强的相关性，故在一定区域范围内，流动站与基准站的距离越小，其使用GNSS差分得到的定位精度就会越高。（2）伪距差分伪距差分系统二、导航卫星系统2.差分全球定位系统载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术，是实时处理两个测控站载波相位观测量的差分方法。即将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标，它能实时提供厘米级的观测点三维坐标。实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。（3）载波相位差分常规RTK系统三、北斗卫星导航定位系统1.北斗卫星导航系统的定义北斗卫星导航系统（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS），又称为COMPASS，中文音译名称为BeiDou，以下简称北斗系统。是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要时空基础设施。北斗卫星导航系统三、北斗卫星导航定位系统2.基本组成北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。北斗系统的组成四、车载导航定位系统1.车载导航定位系统概述车载导航定位系统是一种基于全球定位系统（GPS）技术的先进导航系统作为基础，广泛应用于汽车行业。该系统利用卫星信号，能够精准地确定车辆位置并提供导航指引，为驾驶者提供便利和安全。车载导航定位系统示意图四、车载导航定位系统2.组合导航系统概述在自动驾驶应用中，如果只有全球定位系统（GPS）技术来实现导航是不足以满足要求的，需要组合导航的方式来实现。组合导航是一种将多种导航技术融合的导航系统，利用各种导航手段的优势，提高整体的导航性能和可靠性。按导航组合方式分类，组合导航系统有北斗与惯性导航系统组合、GPS与惯性导航系统组合、双差分GPS与惯性导航系统组合。四、车载导航定位系统3.组合导航系统的优点3能有效利用各导航子系统的导航信息，提高组合系统定位精度。12允许在导航子系统工作模式间进行自动切换，从而进一步提高系统工作可靠性。可实现对各导航子系统及其元器件误差的校准，从而放宽了对导航子系统技术指标的要求。4.组合导航系统的功能功能描述协合超越功能充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统不具备的功能和精度互补功能综合利用了各子系统的信息所以各子系统能取长补短，扩大使用范围余度功能各子系统感测同一信息源，使测量值冗余，提高整个系统的可靠性四、车载导航定位系统五、惯性导航系统1.惯性导航系统定义惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量载体的加速度和角速度信息，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。惯性导航系统示意图五、惯性导航系统2.惯性导航系统组成惯性导航系统主要由惯性测量单元、信号预处理单元和机械力学编排模块三个模块组成。惯性导航系统组成五、惯性导航系统2.惯性导航系统组成一个惯性测量单元包括3个相互正交的单轴加速度计（Accelerometer）和3个相互正交的单轴陀螺仪（Gyroscopes)。惯性测量单元结构五、惯性导航系统3.惯性导航系统工作原理惯性导航系统是一种以陀螺仪和加速度计为感知元件的导航参数解算系统，应用航迹递推算法提供位置、速度和姿态等信息。汽车行驶数据的采集由以陀螺仪和加速度计组成的惯性测量单元来完成。惯性导航系统原理五、惯性导航系统4.惯性导航系统的特点特点描述优点不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量的自主式系统，故隐蔽性好，也不受外界电磁干扰的影响。可全天候、全时间地工作于空中、地球表面乃至水下。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。数据更新率高、短期精度和稳定性好。缺点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。每次使用之前需要较长的初始对准时间。设备的价格较昂贵。不能给出时间信息。六、高精地图1.高精度地图的定义高精地图就是精度更高、数据维度更多的电子地图。精度更高体现在精确到厘米级别。（1）道路数据，如车道线的位置、类型、宽度、坡度和曲率等车道信息；（2）车道周边的固定对象信息，如交通标志、交通信号灯等信息，车道限高、下水道口、障碍物及其他道路细节，防护栏、道路边缘类型、路边地标等基础设施信息。高精度地图六、高精地图2.高精度地图的组成高精度地图简称高精地图，高精地图的图层按自动驾驶中所起的作用大致可以化为三层：车道级路网图层、定位图层和动态图层。定位图层——车辆定位动态图层——用于感知当前道路以及交通状况的路线规划车道级路网图层——导航规划六、高精地图3.高精度地图与导航电子地图的区别类型区别导航电子地图高精度地图使用对象驾驶员，有显示自动驾驶系统，无显示精度米级别，商用GPS精度为5m厘米级别，可达10~20cm级别数据维度道路级别的数据道路形状、坡度、曲率、铺设、方向等车道属性相关（车道线类型、车道宽度等）数据更有诸如高架物体、防护栏、树、道路边缘类型、路边地标等大量目标数据，能够明确区分车道线类型、路边地标等细节功能辅助驾驶的导航功能为自动驾驶提供自变量和目标函数的功能数据的实时性更新频率快，动态数据的更新频率为1秒更新频率慢，静态数据更新频率为1个月所属系统信息娱乐系统车载安全系统六、高精地图4.高精度地图的作用作用描述高精度定位把自动驾驶汽车上传感器感知到的环境信息与高精度地图进行对比，得到车辆在地图中的精确位置辅助环境感知在高精度地图上标注详细道路信息，辅助汽车在感知过程中进行验证规划与决策利用云平台了解传感器感知不到区域（如几千米外）的路况信息，以提前避让思政专栏PART04IdeologicalandPoliticalColumn思政专栏上海交通大学微纳电子学系与中国兵器工业集团第214研究所组建的“IMU技术革新团队”，在攻克惯性测量单元（IMU）“卡脖子”难题中，彰显新时代创新精神。他们以敢为人先的勇气，从物理机制根源突破；凭借求真务实态度，融合技术实现产品小型化低功耗。研发的高性能IMU达国际先进水平，广泛应用于多领域，提升装备性能。这一成果不仅是技术突破，更体现科研工作者对国家使命的担当，其创新精神激励着科研人员与青年学子，助力科技强国建设与民族复兴。创新精神：IMU（惯性测量单元）关键技术突破上海交大一系列科研获奖情况课后练习AfterclasstrainingPART05课后练习（1）（

）技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。A.位置差分B.伪距差分C.相位差分D.以上都不对（2）以下哪种定