劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

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MIMU/DGNSS組合導航技術在城市智能公交中的應用

劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

為解決智能公交GPS在城市環(huán)境中易受干擾的問題，設計低成本MIMU和DGNSS松組合算法，并進行兩類跑車實驗。利用自編寫的GNSS測試軟件對該算法處理后的定位結(jié)果和高精度差分GNSS接收機的基準結(jié)果進行比對。實測結(jié)果表明,在城市復雜環(huán)境中該組合模塊定位連續(xù)性達99.59%，其中75.68%在3 m以內(nèi)，與傳統(tǒng)GPS模塊相比，在同樣低成本的前提下提高定位結(jié)果精度和定位連續(xù)性、可靠性。

智能交通；MIMU；DGNSS；松組合；公交定位

隨著現(xiàn)代化智能公交系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的公交定位方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代公交的要求。公交管理部門需要對公交車實時定位跟蹤，隨時隨地了解某輛公交車處于什么位置，并在定位的基礎上對公交線路或整個公交系統(tǒng)實施合理調(diào)度。傳統(tǒng)的公交車輛大都采用GPS偽距定位，定位精度在5～17 m[1]，并且在城市環(huán)境中易受到遮擋或干擾而導致定位精度變差，甚至無法工作[2]。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)完成對亞太地區(qū)的完全覆蓋和BDS導航產(chǎn)業(yè)民用化率先在交通運輸領域試點推廣，基于北斗導航系統(tǒng)和移動通信網(wǎng)絡的車輛遠程管理/調(diào)度方案成為智能交通領域研究的熱點[3]。多星座的組合可以增加可見衛(wèi)星的數(shù)目，改善衛(wèi)星的觀測條件，但并不能避免在有樹蔭、高樓、電磁干擾地段(如基站、變電站等附近)、立交橋下、隧道下、衛(wèi)星信號受到遮擋或干擾，導致公交車無法進行定位或定位精度較差的情況。慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)自主導航，劣勢在于其定位誤差會隨時間的推移而逐漸累積，從而導致長時間定位結(jié)果可靠性不高。組合導航系統(tǒng)可充分發(fā)揮各導航裝置的優(yōu)點，使得整個車輛組合定位系統(tǒng)兼具高精度與高容錯性，又可在復雜環(huán)境下長時間保證定位結(jié)果的精度與可靠性，并且隨著微機電導航系統(tǒng)的發(fā)展，實現(xiàn)低成本組合導航已經(jīng)成為可能。松組合導航方式具有工程實現(xiàn)簡單、可靠性強的優(yōu)點，并且在國內(nèi)目前的研究中，已取得很好的進展[4]，但在公共交通領域的實際應用并不廣泛。

本文提出低成本MIMU(Micro Inertial Measurement Unit，微慣性測量組合單元)和DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System，差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))松組合導航模塊應用在城市公交中，將衛(wèi)星導航、慣性導航組合使用，不僅可以為監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)提供公交車實時運動狀態(tài)，當前的準確位置，而且可以提高公交定位的連續(xù)性、可靠性。

1 技術原理

1.1 MIMU/DGNSS松組合系統(tǒng)結(jié)構

采用MIMU和DGNSS松組合方式構成組合導航系統(tǒng)，根據(jù)位置、速度組合導航方案，采用間接Kalman濾波及閉環(huán)校正方式，MIMU輸出運動載體3個方向的加速度及角速度，DGNSS可在差分條件下輸出載體的3個方向的位置和速度。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 低成本MIMU/DGNSS松組合方式

利用MIMU導航解算方法計算出載體位置速度和姿態(tài)，然后將所得結(jié)果與DGNSS模塊解算獲得的位置、速度相組合，進行DGNSS/MIMU組合導航濾波，然后利用濾波結(jié)果閉環(huán)校正慣導輸出的姿態(tài)導航參數(shù)，從而完成導航輸出，同時對慣導系統(tǒng)的傳感器誤差和數(shù)學平臺誤差進行反饋校正，以進行下一次導航濾波。

1.2 MIMU/DGNSS松組合系統(tǒng)狀態(tài)方程

MIMU/DGNSS松散組合使用間接法分散卡爾曼濾波來實現(xiàn)，在間接法分散卡爾曼濾波器中，使用MIMU作為參考子系統(tǒng)。主濾波器的狀態(tài)方程采用MIMU的誤差狀態(tài)方程，推導位置、速度和姿態(tài)誤差傳播的微分方程，并對加速度計和陀螺儀誤差建模。

得狀態(tài)方程：

系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣：

1.3 MIMU/DGNSS松組合系統(tǒng)觀測方程

觀測方程為

2 實驗分析

2.1 數(shù)據(jù)背景

本次實驗測試設備(低成本MIMU和DGNSS松組合導航平臺)采用核芯星通UM220-INS衛(wèi)星增強高精度OEM模塊，在實驗前已將上述原理中所述組合導航算法在模塊中實現(xiàn)，可在線處理測試數(shù)據(jù)?；鶞试O備為中海達H32 BeiDou/GPS/GLONASS雙頻實時動態(tài)GNSS接收機，RTK平面測量精度為±(10 mm+1×10-6D)，高程測量精度為±(20 mm+1×10-6D)，基準設備精度滿足測試需求。

本次實驗數(shù)據(jù)在鄭州進行采集，利用鄭州市當?shù)谻ORS網(wǎng)為測試設備提供實時高精度差分改正數(shù)，實現(xiàn)基準設備和組合模塊的差分定位，基準和測試的采樣率都為1 Hz。實驗過程中用別克商務車作為測試平臺，將RTK流動站和差分模塊的天線固定在車頂，其相對位置如圖2所示，車頂測試平臺見圖3(圖上貼在車頂上黑色小方塊為圖3組合導航模塊天線A2位置，白色接收機為基準RTK設備C2位置)。實驗過程中選取不同的路段進行數(shù)據(jù)采集，同時人為拔天線一段時間模擬衛(wèi)星失鎖的條件，著重分析在遮擋環(huán)境下組合導航模塊定位結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性。

圖2 天線位置關系圖

圖3 實驗車頂測試平臺示意圖

2.2 實驗分析

第一類實驗，測試車輛以50 km/h(公交最高速度)在鄭州基站網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)外路線、開闊環(huán)境、高樓高架遮擋各種環(huán)境中行駛，對RTK接收機和組合導航模塊進行精度和連續(xù)性分析如圖4所示(紅色為RTK接收機軌跡，白色為行車軌跡)。以中海達RTK數(shù)據(jù)為基準，利用自編寫的GNSS測試軟件對組合導航模塊數(shù)據(jù)進行比對，結(jié)果如表1所示。

表1 基準RTK定位和組合導航模塊比對結(jié)果

注：定位連續(xù)性=理論定位數(shù)據(jù)條數(shù)/實際定位數(shù)據(jù)條數(shù)

第二類實驗，數(shù)據(jù)在衛(wèi)星信號良好開闊條件下(全程無過橋，無遮擋)采集，保證基準RTK數(shù)據(jù)的連續(xù)性。同時，組合導航模塊人為設置兩段90s左右拔天線過程。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，比對組合導航模塊測試數(shù)據(jù)和高精度差分GNSS基準定位誤差，著重對衛(wèi)星信號失鎖的90 s內(nèi)組合導航模塊性能進行測試評估，如圖5所示。

圖4 測試路線軌跡對比

在0對應的時刻拔掉天線，由圖6可知在短時間(60 s)內(nèi)依然可以維持在3 m以內(nèi)的精度，超過60 s定位漂移開始增大，在90 s左右恢復天線，導航結(jié)果會慢慢恢復到3 m以內(nèi)。

圖6 拔天線前后組合導航模塊水平定位精度(時段1、2)

2.3 實驗結(jié)論

實驗比對結(jié)果表明：高精度基準RTK能實現(xiàn)厘米級定位但受復雜城市環(huán)境影響，定位連續(xù)性僅為65.88%，單純依靠衛(wèi)星定位的連續(xù)性較差；低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊在復雜城市環(huán)境的定位連續(xù)性達99.59%，其中75.68%在3 m以內(nèi)，同時當衛(wèi)星信號短時失鎖(約60 s)的情況下，組合導航模塊依然可以提供3 m左右的定位結(jié)果，與GPS偽距定位相比，組合導航模塊具備持續(xù)提供更高精度定位的能力。

3 結(jié)束語

智能交通面臨的是實現(xiàn)車輛城市環(huán)境中低成本穩(wěn)定可靠的連續(xù)定位問題。智能公交的發(fā)展是城市現(xiàn)代化建設的大勢所趨，是提高社會公共服務水平的重要組成部分。針對我國現(xiàn)有公交系統(tǒng)的發(fā)展情況，本文提出低成本MIMU/DGNSS松組合導航模塊在城市公交中的應用，可以提供穩(wěn)定可靠的定位結(jié)果，為城市公交“智能化”提供技術保證，具有良好的實用價值。

[1] 孫泰屹,丁衛(wèi)東,朱曉宏，等. 適用于公交車輛的定位技術研究[J]. 運營與管理, 2004(6)：62-64.

[2] 汪曉晨. 車輛GPS/DR組合導航系統(tǒng)的研究[D]. 河南開封: 河南師范大學, 2009.

[3] 史順正.基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的智能車載終端設計[D]:山東青島：中國海洋大學，2014.

[4] 虞婧. 基于GPS軟件接收機的超緊組合導航算法設計與實現(xiàn)[D]. 南京: 東南大學, 2011.

[5] 姚仲敏,劉煒,盧艷陽，等.基于北斗定位的城市智能公交系統(tǒng)設計[J].電視技術，2015,39(18).

[6] 張文超,王同合,劉松林.GNSS導航定位結(jié)果野值檢測與修正[J]. 信息工程大學學報, 2015,16(4):498-502.

[7] 徐海鑫.車載INS/GNSS組合導航模型與算法研究[D].鄭州:信息工程大學,2015.

[8] 張飛舟,黃繼勛,朱琳.GPS/GLONASS組合導航技術在ITS中的應用[J]. 現(xiàn)代測量與實驗室管理, 2014(5):11-12.

[9] 李家森.北斗/INS組合導航信息融合濾波算法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2013.

[10] 黃俊華,陳文森.連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務系統(tǒng)建設與應用[M]. 北京:科學出版社, 2009.

[11] 吳富梅，楊元喜.基于小波閾值消噪自適應濾波的GPS/INS組合導航[J]. 測繪學報, 2007，36(2): 124-128.

[12] 嚴恭敏. 捷聯(lián)慣導算法及車載組合導航系統(tǒng)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2004.

[責任編輯：張德福]

Application of MIMU/DGNSS integrated navigation technology to the intelligent public transportation

LIU Zhenyao,MA Yongjian, WANG Tonghe, LIU Songlin

(School of Geography Spatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450001, China)

In order to solve the problem of GPS of intelligent bus for which is easy to be jammed, a low cost MIMU and DGNSS loose combination algorithm is designed and a dynamic car test is performed. Then the GNSS test software written in this paper is used to compare the results of the algorithm with the benchmark results of the high precision differential GNSS receiver.The experimental results show that in the complex urban environment,the integrated navigation module positioning continuity is 99.59%, of which 75.68% is less than 3 m. Compared with traditional GPS module, under the premise of the same low cost,the positioning accuracy,continuity and reliability can be improved.

intelligent transportation；MIMU；DGNSS；loose combination；bus positioning

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.011

2016-03-28

信息工程大學“2110工程”建設項目(510087)

劉振耀(1990-)，男，碩士研究生.

王同合(1968-)，男，教授.

P221

A

1006-7949(2017)03-0051-05

引用著錄：劉振耀，馬永健，王同合,等.MIMU/DGNSS組合導航技術在城市智能公交中的應用[J].測繪工程，2017，26(3)：51-55.