智能网联汽车传感器技术基础课件：车载定位传感器

车载定位传感器教学目标1熟悉全球卫星导航系统的组成、特点、性能指标及定位原理2熟悉惯性导航系统的组成、特点及原理车载定位传感器概述导航定位是利用电、磁、光、力学等科学原理与方法，通过测量与运动物体每时每刻位置有关的参数，实现对运动物体的定位，并正确地从出发点沿着预定的路线，安全、准确、经济地引导到目的地。一辆汽车在实际道路上行驶时，首先需要知道自身所处的位置。因此，导航定位是感知与决策的前提，车载定位传感器在智能网联汽车的发展中具有重要的地位。全球卫星导航系统5.1全球卫星导航系统全球卫星导航系统包括美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗卫星导航系统（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。全球定位系统(GPS)是一种基于卫星的导航系统，允许用户确定自己在地球上任何地方的精确位置和时间。全球定位系统由环绕地球轨道的卫星网络、地面站和用户持有的GPS接收器组成。通过接收来自多颗卫星的信号，GPS接收机可以通过三角定位法计算出自己的位置。全球卫星导航系统全球卫星导航系统北斗卫星导航系统：中国自主研发的全球卫星导航系统，包括一系列卫星、地面监控站和用户设备，可以为全球用户提供高精度的定位和导航服务。与其他卫星导航系统相比，北斗系统具有覆盖范围广、信号强、定位精度高等优势。格洛纳斯卫星定位系统：俄罗斯开发的全球卫星导航系统，由一组24颗卫星组成，覆盖全球范围，可以为用户提供精准的定位、导航和定时服务。格洛纳斯卫星定位系统与GPS系统可以相互兼容，使用户可以同时使用两个系统来提高定位精度和可靠性。伽利略卫星定位系统：欧洲空间组织和欧盟共同开发的一套全球卫星导航系统，由30颗卫星组成，其中包括24颗活动卫星和6颗备用卫星，覆盖全球范围。伽利略卫星定位系统的目的是提供更加准确和可靠的全球定位服务以及提供更多的应用领域。地面控制部分空间部分用户设备部分全球卫星导航系统的组成由主控站、地面天线、监测站等组成。24颗卫星组成一个GPS卫星组，其中21颗是导航卫星，3颗是活动卫星。用户可利用卫星发射的信号实现导航。包括卫星导航接收器和卫星天线。解调卫星轨道参数等数据，根据定位解算方法进行定位计算。全球卫星导航系统的组成主控站地面天线监测站地面控制部分采集各监测站的数据，管理和协调地面监测系统各部分工作。是接收卫星信号的时钟系统信号接收部分的一个子部分。在全球导航卫星系统中监测和采集数据的卫星信号接收站。全球卫星导航系统的组成全球卫星导航系统的特点全球覆盖：为全球用户提供精确、可靠的定位、导航和时间同步服务。高精度服务：能够提供米级至厘米级的定位精度。通过与其他增强系统如地基增强系统和卫星增强系统的合作，可以进一步提高精度。短消息通信服务：北斗系统提供一项独特的短消息通信服务，使用户能在无其他通信覆盖的地区发送和接收文本消息，这一功能在遥远地区、海上和应急救援中特别有用。多频段信号：使用多个频段发送信号，有助于提高系统的抗干扰能力和定位精度。区域增强服务：北斗特别强化了对亚太地区的覆盖，提供更高的服务性能。与其他系统兼容和互操作：北斗系统与其他主要的卫星导航系统如GPS、GLONASS和伽利略设计为互相兼容和互补，这有助于提高定位服务的可靠性和精度。以北斗卫星导航系统为例全球卫星导航系统的定位原理以卫星作为参考点，即在已知卫星位置的前提下，用户接收卫星信号并计算与卫星之间的距离，在地面上进行三角交叉测量，从而计算接收器的位置。原理全球卫星导航系统的定位原理测量未知点与已知位置卫星之间的瞬时距离，主要有虚拟距离观测和载波相位观测两种测量方法。只要同时观测三颗卫星，获得三个空间距离，就可以计算出接收器的位置。原理全球卫星导航系统的定位原理用a来表示卫星所发射的载波信号相位数值，用b来表示地面基站所接收的载波信号相位数值，卫星站点之间的距离X=n(a+b)，其中n指的是载波信号的波长。在实际操作中a值是无法进行测算的，往往采用接收机所产生的基准信号来代替，由于该基准信号的频率与卫星所发射的载波信号相位是一致的，所以并不会影响到后续定位的精准程度。载波相位测量法全球卫星导航系统的定位原理载波相位测量法进行定位时，在整个定位过程中，会受到多种误差因素的影响，进而降低定位精度。通过不同方式对同步观测量进行差值计算，能够最大化地减少误差。对常用的载波相位进行差值计算，通常被叫作差分，而差分主要有三种方法，分为单差、双差以及三差。全球卫星导航系统的性能指标定位导航授时服务性能指标性能特征性能指标服务精度（95%）定位精度水平≤10m，高程≤10m授时精度≤20nm测速精度≤0.2m/s服务可用性≥99%全球卫星导航系统的性能指标全球短报文通信服务性能指标性能特征性能指标服务成功率≥95%响应时延一般优于1min终端发射功率≤10W服务容量上行30万次/h下行20万次/h单次报文最大长度560bit（约相当于40个汉字）使用约束及说明用户需进行自适应多普勒补偿，且补偿后上行信号到达卫星频偏需小于1000Hz全球卫星导航系统的性能指标国际搜救服务性能指标性能特征性能指标检测概率≥99%独立定位概率≥98%独立定位精度（95%）≤5km地面接收误码率≤5×10-5可用性≥99.5%全球卫星导航系统的性能指标地基增强服务性能指标性能特征性能指标单频伪距增强服务单频载波相位增强服务双频载波相位增强服务单频载波相位增强服务后处理毫米级相对基线测量支持系统BDSBDSBDSBDS/GNSSBDS/GNSS定位精度水平≤2m高程≤3m（95%）水平≤1.2m高程≤2m（95%）水平≤0.5m高程≤1m（95%）水平≤5cm高程≤10cm（RMS）水平≤5mm高程≤10mm）（RMS）初始化时间秒级≤20min≤40min≤60s—全球卫星导航系统的性能指标精密单点定位服务性能指标性能特征性能指标第一阶段（2020年）第二阶段（2020年后）播发速率500bit/s扩展为多个全球卫星导航系统，提升播发速率，视情况拓展服务区域，提高定位精度、缩短收敛时间定位精度（95%）水平≤0.3m，高程≤0.6m收敛时间≤30min全球卫星导航系统的性能指标区域短报文通信服务性能指标性能特征性能指标服务成功率≥95%服务频度一般1次/30s，最高1次/s响应时延≤1s终端发射功率≤3W服务容量上行1200万次/h下行600万次/h单次报文最大长度14000bit（约相当于1000个汉字）定位精度（95%）RDSS水平20m，高程20m广义RDSS水平10m，高程10m双向授时精度（95%）10ns使用约束及说明若用户相对卫星径向速度大于1000km/h，需进行自适应多普勒补偿应用案例智能网联汽车组合导航定位由惯性导航单元IMU550、四频双模双天线卫星导航板卡、导航计算机和4G差分模块组成。4G差分模块通过4G网络接收千寻位置等RTCM差分信息，发送给四频双模双天线卫星导航板卡。导航计算机接收三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和四频双模双天线卫星导航板卡的信息，实时得到精确的位置、速度和方位。组合导航定位原理惯性导航系统5.2惯性导航系统是一种利用惯性传感器测量载体的角速度和加速度信息，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。惯性导航系统概述既不向载体外部发送信号，也不接收外部信号，是一种完全自主的导航系统。可全天候在全球任何地点工作。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，且噪声低。数据更新频率高，短期精度和稳定性好。由于导航信息经过积分产生，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校准时间。不能给出时间信息。惯性导航系统的特点惯性导航系统的导航方式是推算，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。惯性导航系统的工作原理加速度传感器和陀螺仪一个测量速度，一个测量方向，二者结合就是惯性测量单元（IMU）。IMU的一个重要特征在于它能以高频率更新，其频率可达到1000Hz，所以IMU可以提供接近实时的位置信息。GPS（或BDS）和IMU的融合是无人驾驶汽车一种重要的定位技术。GPS根据当前信息对自己的位置进行修正，IMU则不断地对自己的位置进行推算。二者不断地修正和不断地推算，就能保证自己的定位相对准确。惯性导航系统的工作原理惯性导航系统的工作原理在无人驾驶系统中，GPS的更新频率一般为10Hz，IMU的更新频率一般为100Hz。两者共同工作时，可以给出频率为100Hz的定位输出。惯性导航系统的工作原理在0～100ms的周期中，使用IMU进行9次位置估计，待新的GPS定位数据进来时，则进行修正，以此实现高频率的定位结果输出。GPS与IMU相辅相成，实现了无人驾驶汽车的准确定位。将检测惯性力造成微小形变的机械结构集成在芯片中，采集惯性力产生的电信号测量惯性力，应用牛顿第二运动定律计算运动物体的线加速度。加速度传感器电容式加速度传感器压阻式加速度传感器压电式加速度传感器按检测方式分类具有较高的灵敏度和测量精度、良好的稳定性、较小的温度漂移、极低的功耗。但存在工作带宽窄、信号处理电路复杂、抗电磁干扰能力差等缺点。具有加工工艺简单、成本低、结构和输出电路简单、线性度好等优点，但同时也存在温度漂移过大、灵敏度较低的缺点。具有结构简单、稳定性好、耐高温、输出线性好等优点。但由于压电材料极化产生的是直流电荷，故在低频下进行压电测量时就变得很困难，而且很难对压电材料进行COMS工艺集成。加速度传感器的分类将电容的可动极板用运动的质量块来代替，当质量块在加速度的作用下发生位移时，质量块与固定极板间的电容量也随之发生变化。通过外围的检测电路即可测出电容的变化量，由此便可间接地测量出物体的加速度大小。电容式加速度传感器的结构及原理当质量块在压阻材料敏感轴方向，在加速度作用下，对压阻材料施加一定的压力时，相应地，压阻材料的电阻值就会发生变化。利用惠更斯电桥电路可以对电阻值变化进行测量，以达到间接测量物体加速度大小的目的。压阻式加速度传感器的结构及原理当质量块受到加速度作用后，会对压电材料产生一定的压力，这压力使得压电材料的表面积累一定量的电荷。通过外围放大电路可对这些电荷加以检测，由于输出电荷信号与物体加速度大小成比例，因此便可达到测量物体加速度大小的目的。压电式加速度传感器的结构及原理可以测量瞬时角速率或角位置信息，提供各轴（及其上的加速度计）在各时刻的方向。陀螺仪陀螺仪一般由转子(旋转轮)、内框架和外框架组成，是一种绕支点高速旋转的物体。旋转轴、内框架轴和外框架轴的轴线相交于一点，称为陀螺支点，整个陀螺可以围绕支点任意旋转。陀螺仪的结构陀螺仪的分类项目战略级陀螺仪导航级陀螺仪战术级陀螺仪商业级陀螺仪标度因数稳定性＜11～100100～1000＞1000零偏稳定性/（°/h）＜0.0050.01～0.150.15～15＞15随机游走/（°/h）＜0.010.01～0.050.05～0.5＞0.5量程/（°/s）＞500＞500＞40050～1000根据应用场景和精度的不同，陀螺仪可分为战略级陀螺仪、导航级陀螺仪、战术级陀螺仪和商业级（消费级）陀螺仪。量程零偏稳定性标度因数随机游走抗振性MEMS陀螺仪的性能指标陀螺仪的测量范围，表示陀螺仪敏感角速率的能力。表示当输入角速率为零时，衡量陀螺仪输出量围绕其均值（零偏）的离散程度。由白噪声产生的随时间累积的陀螺仪输出的误差系数。陀螺仪输出量与输入角速率的比值。惯性测量单元抵抗振动的能力。陀螺仪的性能指标卫星定位与惯性导航的融合全球导航卫星系统与惯性导航系统的优缺点定位类型优点缺点全球导航卫星系统快速定位、覆盖范围大、适合大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用噪声大；信号微弱；没有加密，容易被干扰和欺骗惯性导航系统隐蔽性好；全天候；提供位置、速度、航向、姿态角信息；导航信息更新速度快；是完全自主式的导航系统；系统校准后短时定位精确度高误差随时间累积全球导航卫星系统+惯性导航系统噪声小、误差不随时间累积，通过集成惯性导航传感器来处理全球导航卫星