陳閩濤，趙紅霞，楊璟，陳永喜

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，江西南昌 330098）

汽車移動物聯(lián)網(wǎng)簡稱為車聯(lián)網(wǎng)，它將車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息平臺，移動通訊技術(shù)及智能終端設(shè)備相結(jié)合，一方面實現(xiàn)了車與車、車與城市、車與路之間的信息互聯(lián)互通；另一方面實現(xiàn)了對路、車、位置、人等信息進(jìn)行全面的管理和監(jiān)控，目前主要應(yīng)用于防盜報警、車輛調(diào)度、節(jié)約能源和醫(yī)療救助等方面。

國外對于車聯(lián)網(wǎng)中車輛盲區(qū)定位的研究雖然很早,但是目前在市面上用于解決盲區(qū)車輛定位的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品，因其功能單一、價格昂貴、不能二次開發(fā)，所以無法滿足實際需求。而國內(nèi)在該領(lǐng)域的起步相對較晚。目前，關(guān)于車聯(lián)網(wǎng)中車輛盲區(qū)定位的研究在國內(nèi)還沒有形成規(guī)模，大部分研究還處在對于基礎(chǔ)算法的探索上，還沒有形成一套完整的研發(fā)與商用體系，還有許多問題亟需解決，比如：尋找出精確度更高的測距方法、解決車輛盲區(qū)自主定位時存在的誤差積累的問題、解決一些相關(guān)定位與通訊設(shè)備在應(yīng)用中的相互串?dāng)_與各自損耗問題等。本文根據(jù)當(dāng)前GNSS盲區(qū)中的車輛定位要求，重點研究了盲區(qū)中車輛自主定位的誤差積累問題，提出了一種車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS相組合的新的定位導(dǎo)航技術(shù)。

1 GPS/SINS組合定位的優(yōu)點

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中心部分即車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)。而車輛導(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，strapdown intertial navigation system）和全球定位系統(tǒng)（G PS，globa positioning system）。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）在丟星條件下運用牛頓第一定律測算出載體在慣性參考系中的加速度信息，然后再對其進(jìn)行積分變換，從而獲得車輛在具體位置的定位參數(shù)信息。但SINS因慣性測量平臺固定漂移率所產(chǎn)生的誤差具有時間累積性無法實現(xiàn)高精度長時間的定位。GPS之所以可提供實時、全天候車輛載體的高精度速度信息和位置信息，且誤差不隨時間積累，是因為采用測距、多星、髙軌體制。但GPS也有它的缺點，即在隧道和城市高樓等衛(wèi)星被遮擋區(qū)域易受干擾，甚至因丟星而無法定位。因此，結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)存在的優(yōu)缺點，文中提出了一種車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS相組合的新的定位導(dǎo)航技術(shù)。令慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）相互組合可揚(yáng)長避短，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)各自的缺點?？偨Y(jié)起來兩者組合的優(yōu)點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1.1 提高可靠性正確性

眾所周知，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的系統(tǒng)誤差將伴隨時間的積累而不斷累加，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差則不會隨著時間的推移而累加，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，可解決捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行和空中校準(zhǔn)的難題。如果GPS信號受到干擾，組合定位系統(tǒng)仍舊可以通過捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在較短時間內(nèi)計算出相對準(zhǔn)確的狀態(tài)、位置、速率等定位信息。因此，組合定位系統(tǒng)的可靠性和正確性一定優(yōu)于單獨使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或者捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。鑒于此，在實際應(yīng)用中便提出了將SINS設(shè)備當(dāng)中嵌入GPS用戶接收機(jī)電路板即組合導(dǎo)航一體機(jī)的方案，即一方面可以有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本；另一方面又可以提髙導(dǎo)航設(shè)備的便攜性。

1.2 提高輸出速度減少校準(zhǔn)時間

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的初始化時間較長，一般需要十幾分鐘才能完成，但其比GPS有著更快的導(dǎo)航信息輸出速率，并且接收導(dǎo)航信息沒有延遲時間；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）的導(dǎo)航信息的輸出速率較慢，一般為1-50HZ且導(dǎo)航信息接收時間一般會拖延0.1～0.5秒鐘，而用戶接收機(jī)的初始化時間一般在2分鐘之內(nèi)。由于航行載體的設(shè)計對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)精確度和系統(tǒng)性能的影響都很大，實時性要求很難達(dá)到。因此，有效的結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)，一方面可以解決導(dǎo)航信息的接收時延問題，提髙導(dǎo)航信息的輸出速度問題；另一方面可以減少系統(tǒng)的初始化校準(zhǔn)時間。

1.3 提高抗干擾能力

在GPS和SINS系統(tǒng)的超緊組合可實現(xiàn)GPS用戶接收機(jī)對衛(wèi)星星座的實時跟蹤，有效地提髙用戶接收機(jī)抵御外界干擾的能力。

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)用于車聯(lián)網(wǎng)中，一方面解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間積累的誤差増長問題，提高車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度；另一方面可使車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位信息更加實時可靠。

2 GPS/SINS組合定位系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)建立了多級客戶中心，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）、車載模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、車輛網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器.系統(tǒng)如圖1所示。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，以此有效地監(jiān)控車載設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)的車載模塊主要包括語音部分、移動通信終端和GPS終端。語音部分和移動通信網(wǎng)負(fù)責(zé)實現(xiàn)車輛駕駛?cè)藛T與服務(wù)器中心的實時互動；GPS終端的職能是接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)送出的定位信息，然后計算出車輛的具體位置，最后再通過移動通信部分發(fā)送到車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器。

2.1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS可以提供行駛路線監(jiān)控，車輛定位、防盜、反劫以及呼叫指揮等功能。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括空間部分、地面控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備3個主要元素。

圖2GPS衛(wèi)星系統(tǒng)

該系統(tǒng)中GPS接收機(jī)包括主機(jī)、電源、天線、圖形顯示界面和數(shù)據(jù)處理軟件，它是GPS系統(tǒng)的最重要的設(shè)備。GPS接收機(jī)的主要功能是將接收到的GPS定位信息進(jìn)行信號放大和變換，并計算出衛(wèi)星到載體接收機(jī)天線的傳播時間，最后實時地計算顯示出載體的三維位置（經(jīng)度、高程和緯度）、時間和速度。5個監(jiān)控站、3個注入站和1個主控站構(gòu)成了地面控制系統(tǒng)。該地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括三個方面：一是監(jiān)測衛(wèi)星上的各種裝備能否正常運轉(zhuǎn)；二是接收每顆GPS衛(wèi)星所發(fā)送的星歷，三是對沒有沿著預(yù)定軌道運行的衛(wèi)星進(jìn)行控制更改?？臻g部分包括備用衛(wèi)星3顆、導(dǎo)航的衛(wèi)星21顆，即總共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。

GPS系統(tǒng)利用高軌、多星測距體制，當(dāng)來自不同方位的4顆衛(wèi)星發(fā)出的星歷參數(shù)和時間信號到達(dá)用戶接收機(jī)時，先將其進(jìn)行計算與距離測量，然后再將接收機(jī)所在的時間、速度和三維位置顯示出來。

2.2 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器

服務(wù)器中心的定位系統(tǒng)是整個車聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)能否實現(xiàn)的核心要素。它由車輛調(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）車輛調(diào)度子系統(tǒng)的功能如下：一是查詢車輛位置，并通過監(jiān)控終端在電子地圖上顯示出來;二是設(shè)置區(qū)域報警并在監(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)域范圍報警設(shè)置完成后，一旦車輛離開或進(jìn)入設(shè)置的區(qū)域后將發(fā)出報警信號；三是調(diào)度中心用人工語音或短信息的方式對目標(biāo)車輛進(jìn)行實時調(diào)度。如果在車輛不受指揮或出現(xiàn)異常，調(diào)度中心可以自動對車輛執(zhí)行遙控指令。除此之外，調(diào)度中心不但可以廣播的形式同時自動向多臺車發(fā)出調(diào)度命令，還可向單個或部分車輛發(fā)送命令，并在車載單元的顯示器上顯示出來；（2）信息管理子系統(tǒng)的主要功能如下：一是對不同人員訪問、操作不同模塊的權(quán)限進(jìn)行修改和設(shè)置；二是對日常操作如車輛定位、消息接收發(fā)送等進(jìn)行統(tǒng)計、查詢等等簡單操作；三是對駕駛員信息和車輛信息進(jìn)行機(jī)器化、自動化、智能化管理。（3）地理信息子系統(tǒng)的職能即對地圖進(jìn)行任意開窗漫游、放大、縮小等，調(diào)整GIS比例。當(dāng)圖形開窗縮小與放大時，為了使屏幕承載度合理，避免屏幕顯示過密，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。為了掌控全局，主窗口右下角另開一個小窗口顯示全局,顯示車輛當(dāng)前的運動方向、速度和位置，同時主窗口顯示放大的局部地圖內(nèi)容。

2.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPS接收器采集到的數(shù)據(jù)通過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)傳輸過程中需要遵照必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。因為TCP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)中的各個主機(jī)提供面向連接的可靠通訊服務(wù)，所以選擇TCP協(xié)議。

2.4 車載GPS/SINS定位模塊

硬件電路和軟件設(shè)計兩部分構(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時完成車輛的位置、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)行計算處理。整個系統(tǒng)算法流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)算法流程圖

3 系統(tǒng)實驗

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，如圖4.1和4.2所示。

圖4.1 GPS定位

圖4.2 GPS/SINS組合定位

通過實驗對比可得出結(jié)論：對于距離建筑物近的社區(qū)小路，如果采取普通GPS定位系統(tǒng)則會出現(xiàn)大量GPS信號丟失，無法準(zhǔn)確定位的問題，因此采用組合定位可達(dá)到精確定位的要求。

4 結(jié)語

本文通過對測試過程中試驗車輛的位置信息數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，驗證得出GPS/SINS組合車輛定位系統(tǒng)可以得到連續(xù)的定位信號，并同時提髙位置信息采集的覆蓋率，可以解決城市中由于信號反射和建筑物群遮擋造成的無法連續(xù)定位或定位不精確的問題，改進(jìn)了普通車輛GPS定位系統(tǒng)。鑒于此，本文驗證了GPS/SINS組合定位方式可有效地為車聯(lián)網(wǎng)提供定位信息以及GPS/SINS組合定位技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性。

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