趙紅霞

摘要：盲區(qū)中的車(chē)輛精確定位是當(dāng)前車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的研究熱點(diǎn)和難題之一。本文在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中采用全球定位系統(tǒng)（GPS）和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）相結(jié)合的聯(lián)合定位方式，全面提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，增加了車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的定位可靠性。

關(guān)鍵詞：GPS；SINS；車(chē)聯(lián)網(wǎng)

1.引言

車(chē)聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)稱(chēng)為汽車(chē)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，它將車(chē)載導(dǎo)航定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，移動(dòng)通訊技術(shù)及智能終端設(shè)備相結(jié)合，一方面實(shí)現(xiàn)了車(chē)與車(chē)、車(chē)與城市、車(chē)與路之間的信息互聯(lián)互通，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)路、車(chē)、位畳、人等信息進(jìn)行全面的管理和監(jiān)控。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中心部分即車(chē)載定位導(dǎo)航系統(tǒng)。而車(chē)輛導(dǎo)航定位領(lǐng)域的兩大技術(shù)分別是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS，strapdownintertial navigation system）和全球定位系統(tǒng)（GPS，globa positioning system）。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）在丟星條件下運(yùn)用牛頓第一定律測(cè)算出載體在慣性參考系中的加速度信息，然后再對(duì)其進(jìn)行積分變換，從而獲得車(chē)輛在具體位置的定位參數(shù)信息。但SINS有它的不足之處即無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度長(zhǎng)時(shí)間的定位。GPS之所以可提供實(shí)時(shí)、全天候車(chē)輛載體的高精度速度信息和位置信息且誤差不隨時(shí)間積累，但它的缺點(diǎn)是在隧道和城市高樓等衛(wèi)星被遮擋區(qū)域易受干擾，甚至因丟星而無(wú)法定位。因此結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)存在的優(yōu)缺點(diǎn)，文中提出了一種車(chē)聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS相組合的新的定位導(dǎo)航技術(shù)。

2.GPS/SINS組合定位的優(yōu)點(diǎn)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，兩者之間的組合可以揚(yáng)長(zhǎng)避短總結(jié)起來(lái)兩者組合的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的系統(tǒng)誤差將伴隨時(shí)間的積累而不斷累加，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差則不會(huì)隨著時(shí)間的推移而累加，且GPS定位精度較髙，所以當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）處于有效狀態(tài)時(shí)，采用GPS定位。如果GPS信號(hào)受到干擾，組合定位系統(tǒng)仍舊可以通過(guò)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出相對(duì)準(zhǔn)確的狀態(tài)、位置、速率等定位信息。鑒于此我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中便提出了將SINS設(shè)備當(dāng)中嵌入GPS用戶接收機(jī)電路板的方案，既節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，又提髙導(dǎo)航設(shè)備的便攜性。

（2）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的初始化時(shí)間較長(zhǎng)，但其比GPS有著更快的導(dǎo)航信息輸出速率并且接收導(dǎo)航信息沒(méi)有延遲時(shí)間；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）的導(dǎo)航信息的輸出速率較慢，而用戶接收機(jī)的初始化時(shí)間短。因此有效的結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)，既可以解決導(dǎo)航信息的接收時(shí)延，導(dǎo)航信息輸出速度問(wèn)題又可以減少系統(tǒng)的初始化校準(zhǔn)時(shí)間。

（3）在GPS和SINS系統(tǒng)的超緊組合可實(shí)現(xiàn)GPS用戶接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星星座的實(shí)時(shí)跟蹤，有效地提髙用戶接收機(jī)抵御外界干亂的能力。

綜合上述分析，得出如下結(jié)論：將GPS/SINS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于車(chē)聯(lián)網(wǎng)中，一方面解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時(shí)間積累的誤差増長(zhǎng)問(wèn)題，提高車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，另一方面可使車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位信息更加實(shí)時(shí)可靠。

3.GPS/SINS組合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S）為主、瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B/S）為輔的架構(gòu)。系統(tǒng)由4部分組成：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）、車(chē)載模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、車(chē)輛網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器.本系統(tǒng)采用GPS/SINS組合定位方法，聯(lián)系相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、汽車(chē)電子技術(shù)、電子地圖技術(shù)等，將GPRS網(wǎng)絡(luò)作為基本通訊平臺(tái)，以此有效地監(jiān)控車(chē)載設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。

（1）GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS可以提供行駛路線監(jiān)控，車(chē)輛定位、防盜、反劫以及呼叫指揮等功能。GPS包括空間部分、地面控制系統(tǒng)和GPS接收機(jī)3個(gè)主要元素。該系統(tǒng)中GPS接收機(jī)的主要功能是將接收到的GPS定位信息進(jìn)行信號(hào)放大和變換，并計(jì)算出衛(wèi)星到載體接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，最后實(shí)時(shí)地計(jì)算顯示出載體的三維位置（經(jīng)度、高程和緯度）、時(shí)間和速度。地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括：監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上的各種裝備能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)；接收每顆GPS衛(wèi)星所發(fā)送的星歷；對(duì)沒(méi)有沿著預(yù)定軌道運(yùn)行的衛(wèi)星進(jìn)行控制更改。空間部分包括24顆GPS衛(wèi)星。該24顆衛(wèi)星構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座，它們均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，平均每一軌道平面上分配有4顆衛(wèi)星，每顆GPS衛(wèi)星都送出定位信息。

（2） 車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器

服務(wù)器中心的定位系統(tǒng)是整個(gè)車(chē)聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的核心要素。它由車(chē)輛調(diào)度子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)和地理信息子系統(tǒng)組成。1）車(chē)輛調(diào)度子系統(tǒng)的功能如下：一是查詢車(chē)輛位置，并通過(guò)監(jiān)控終端在電子地圖上顯示出來(lái)；二是設(shè)置區(qū)域報(bào)警并在監(jiān)控終端指揮中心的電子地圖上顯示相應(yīng)范圍。當(dāng)區(qū)域范圍報(bào)警設(shè)置完成后，一旦車(chē)輛離開(kāi)或進(jìn)入設(shè)置的區(qū)域后將發(fā)出報(bào)警信號(hào)；三是調(diào)度中心用人工語(yǔ)音或短信息的方式對(duì)目標(biāo)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。如果在車(chē)輛不受指揮或出現(xiàn)異常，調(diào)度中心可以自動(dòng)對(duì)車(chē)輛執(zhí)行遙控指令。2）信息管理子系統(tǒng)的主要功能如下：一是對(duì)不同人員訪問(wèn)、操作不同模塊的權(quán)限進(jìn)行修改和設(shè)置；二是對(duì)日常操作如車(chē)輛定位、消息接收發(fā)送等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、查詢等簡(jiǎn)單操作；三是對(duì)駕駛員信息和車(chē)輛信息進(jìn)行機(jī)器化、自動(dòng)化、智能化管理。3）地理信息子系統(tǒng)的職能即對(duì)地圖進(jìn)行任意開(kāi)窗漫游、放大、縮小等，調(diào)整GIS比例。當(dāng)圖形開(kāi)窗縮小與放大時(shí)，為了使屏幕承載度合理，避免屏幕顯示過(guò)密，可根據(jù)圖形縮放比例的不同，顯示不同詳細(xì)程度的地圖內(nèi)容。

（3）GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPS接收器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。而數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需要遵照必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。因?yàn)門(mén)CP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)主機(jī)提供面向連接的可靠通訊服務(wù)，所以選擇TCP協(xié)議。

（4）車(chē)載GPS/SINS定位模塊

硬件電路和軟件設(shè)計(jì)兩部分構(gòu)成了GPS/SINS組合定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件電路部分主要包括GPS接收模塊、加速度傳感器、中央處理器、陀螺儀傳感器單元等。在丟星的情況下由陀螺儀傳感器和加速度傳感器實(shí)時(shí)完成車(chē)輛的位置、速度和航向信息采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器進(jìn)行計(jì)算處理。

4.系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在城市內(nèi)隨機(jī)選擇某一道路，比如社區(qū)小道、主干道和快速道，然后分別使用GPS/SINS組合車(chē)輛定位系統(tǒng)和普通GPS定位系統(tǒng)記載沿路位置坐標(biāo)，然后分別標(biāo)注在地圖上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可得出結(jié)論：對(duì)于距離建筑物近的社區(qū)小路，采取普同GPS定位系統(tǒng)則出現(xiàn)大量 GPS信號(hào)丟失，無(wú)法準(zhǔn)確定位，而采用組合定位則可精確定位。

5.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)測(cè)試過(guò)程中車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中試驗(yàn)車(chē)輛的位置信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，驗(yàn)證了GPS/SINS組合車(chē)輛定位系統(tǒng)可以得到連續(xù)的定位信號(hào)，并同時(shí)提髙位置信息采集的覆蓋率，解決了城市中由于信號(hào)反射和建筑物群遮擋造成的無(wú)法連續(xù)定位或定位不精確的問(wèn)題。改進(jìn)了普通車(chē)輛GPS定位系統(tǒng)。鑒于此，本文驗(yàn)證了GPS/SINS組合定位方式可有效地為車(chē)聯(lián)網(wǎng)提供定位信息，以及GPS/SINS組合定位技術(shù)在車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性。

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（基金項(xiàng)目：江西省教育廳科技項(xiàng)目GJJ151150，江西科技學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目ZR14QN07）endprint