袁蹈,呂偉才,袁曉鑫,許妙強,褚敏,彭小強,葛祥

(安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232000)

0 引 言

隨著世界經濟的迅速發(fā)展,二十一世紀以來汽車的數(shù)量呈現(xiàn)井噴式的增長．而汽車數(shù)量的增長給原本不太方便的交通制造了很大的壓力．針對這種情況,交通管理部門、各研發(fā)機構、高?？蒲胁块T均做了相當大的投入進行研究,第三代車載導航系統(tǒng)應運而生．系統(tǒng)融合了GPS定位、電子地圖,移動通信等先進技術,可以通過車載終端獲得定位信息,經過數(shù)據(jù)的處理后對車輛進行實時定位、路徑規(guī)劃、歷史軌跡回放、緊急情況求救．而GPS導航系統(tǒng)對定位環(huán)境要求比較嚴格,如在大面積水域旁、山谷、隧道、深林等環(huán)境下,定位精度會受到很大影響,定位偏差達到數(shù)十米,將此類定位得到點的坐標稱為野值點,而慣性導航系統(tǒng)(INS)則可以通過GPS提供起始點和起始方位角可在任何環(huán)境下精確定位,通過兩種定位技術組合,可得到高精度定位結果．本文從導航系統(tǒng)組合定位的原理出發(fā)結合實測數(shù)據(jù)對車載導航系統(tǒng)定位精度做了分析．

1 定位原理

1.1 GPS定位原理

GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)由衛(wèi)星、監(jiān)控中心、接收機三部分組成,可確保接收機在任何時刻接收到四顆或以上的衛(wèi)星信號．導航定位系統(tǒng)定位原理是測距交繪定位,由衛(wèi)星發(fā)射的載波信號可以將包括衛(wèi)星的位置和狀態(tài)信息星歷文件傳送到接收機,通過衛(wèi)星發(fā)射信號到接收機，接收到信號的時間乘以光速計算衛(wèi)星到接收機的距離,而只需要接收機到三顆衛(wèi)星的距離就可以得到三個關于接收機位置的三個觀測方程,即可估算出接收機的具體位置[1],而實際定位過程中會出現(xiàn)一定的誤差,通過四顆衛(wèi)星的四個觀測方程可以將部分誤差消除提高定位精度．

(1)

式中:ρ1、ρ2、ρ3、ρ4為衛(wèi)星到接收機的距離;(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)為供定位信息的四個衛(wèi)星坐標．

按照計算衛(wèi)星到接收機距離的方式又可以將定位原理分為單點定位、偽距定位和差分定位,其定位精度依次提高[2],其中精度最高的是差分定位．而差分定位可以通過建立在具有精密已知坐標的已知點上的接收機, 計算出包含軌道誤差、時鐘誤差、SA影響、大氣影響、多路徑效應及其他誤差的坐標改正數(shù)[3]:

(2)

式中,ΔX、ΔY、ΔZ為各個方向距離誤差累加項．

基準站通過電臺或通訊網(wǎng)絡將測得的誤差改正數(shù)發(fā)送到接收機,可以很大程度地消除誤差和影響,接收機通過對自身定位的處理獲得相對精度較高的定位結果．

(3)

式中,XP、YP、ZP為用戶接收機接收差分信息后計算得到的精確位置信息．

1.2 傳感器定位

傳感器的種類有很多,應用在車載導航上的傳感器也可分為機械傳感器和磁力傳感器,傳感器在移動狀態(tài)會有加速度和姿態(tài)的變化(包括速度位移誤差的各三個分量,和兩個傾斜誤差),通過測定加速度和姿態(tài)后對其積分可獲得傳感器的位移量和方向變化量,當起始的位置和方位角給定后可規(guī)定周期對傳感器的位置重新定位．如果傳感器的采樣周期為T,則可確定傳感器位置坐標為[2]

(4)

式中:T為傳感器的采樣周期;θ為相對于原始方向的偏差角度;(x0,y0)為傳感器的起始坐標．

1.3 GPS/INS組合導航定位原理

車載導航定位終端組合定位的兩種定位技術根據(jù)融合的方式不同可分為緊耦合、松耦合[4]．松耦合即為在衛(wèi)星信號接收良好的情況下可以使用GPS對導航終端進行定位,定位精度可以達到亞米級,而在衛(wèi)星信號被遮擋的情況下,GPS提供起算位置和方向角后INS對車輛的運動狀態(tài)估算的一種定位組合方式．松耦合的具體實現(xiàn)數(shù)學模型為

zGNSS=hGNSS(xhostveh)+δGNSS,

(5)

(6)

zINS=hINS(xhostveh)+δINS,

(7)

(8)

式中:zGNSS為GNSS的輸出;δINS為INS的輸出;xhostveh為車輛端的真實導航狀態(tài),δGNSS為GNSS輸出誤差;fGNSS(δGNSS,xhostveh)和白噪聲過程wGNSS(t)為假定GNSS/INS集成配置中δGNSS的動態(tài)模型;fINS(δINS,xhostveh)和白噪聲過程wINS(t)為假定GNSS/INS集成配置中δINS的動態(tài)模型,結合以上模型通過卡爾曼濾波器可實現(xiàn)組合定位結果輸出．由于篇幅原因松耦合的完整濾波模型包括二十個狀態(tài)變量和緊耦合原理不再贅述,詳細可見參考文獻[5]．

2 定位精度檢驗

2.1 靜態(tài)精度檢驗

測試導航終端在靜止狀態(tài)下的定位精度．將導航終端的定位天線放置在已知點上進行數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)與已知坐標對比,數(shù)據(jù)作差并計算其均方根差,可有效地反映終端的定位精度．

2.2 動態(tài)精度檢驗

車載導航系統(tǒng)主要針對的是車輛的定位和導航,主要是移動狀態(tài)的定位,導航終端的定位難點是提高對精度的控制．導航終端的動態(tài)精度檢驗可以采用高精度的GPS接收機和終端同步進行數(shù)據(jù)采集,再做數(shù)據(jù)對比分析．如在載體(汽車)上安裝導航終端和高精度GPS接收機,同時開啟進行定位,GPS接收機進行動態(tài)數(shù)據(jù)采集精度可以達到厘米級甚至毫米級[6]．可當做真值對終端得到的數(shù)據(jù)進行對比,對定位結果進行做差,然后進行均方根差統(tǒng)計,這可以作為比較定位精度的一個參考值．如需增加數(shù)據(jù)對比的可信度,可在不同的環(huán)境下進行跑車實驗,如不同路段,不同時間段,對各個環(huán)境的定位精度做出對比．

2.3 無對比值監(jiān)測

在有些環(huán)境下,無法獲得準確的對比值,無法與真值做比較,但可以使用相同路段對比的方法進行數(shù)據(jù)的對比,具體操作是在同一個路段,進行反復的跑車實驗,最后用相同路段多次實驗采集的數(shù)據(jù)進行對比,即可判斷出終端數(shù)據(jù)采集的精度．

2.4 組合導航地圖匹配

車載導航最終的成果是將定位結果直觀地展現(xiàn)給用戶,現(xiàn)在電子產品可以通過顯示屏將地圖展現(xiàn)出來,也就是電子地圖．導航的定位結果就是承載在電子地圖之上,與地圖的匹配結果就是導航系統(tǒng)的最終成果．定位的數(shù)據(jù)與電子地圖有個匹配的過程,而定位點如果不在道路之上則說明定位結果發(fā)生了偏移,偏移量的大小可以反映定位的精度．但缺點是難以量取其偏移量的大小,只能肉眼判斷,難以定量分析．

3 實例分析

實驗使用的車載導航系統(tǒng)由服務器,終端組成．服務器安裝在兩臺計算機上,操作系統(tǒng)分別為CentOS Linux release 7.2和windows server 2008 64位,分別部署了網(wǎng)關、存儲進程和oracle數(shù)據(jù)庫、webgis、memcache．終端由T24-INS-主機、T24-INS-20PIN連接線、通道一體天線、IC卡、電瓶等組成．服務器開啟后,終端開機自動與服務器連接,差分數(shù)據(jù)、采樣間隔、連接端口等設置完成后終端開始定位．

3.1 靜態(tài)定位精度分析

靜止狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集精度分析實驗是在2018年6月27日在安徽理工大學山南新校區(qū)測繪學院樓旁的GPS控制點進行,這個控制點周圍無遮擋物,視野開闊,無信號干擾,排除多路徑等誤差累計的可能,實驗數(shù)據(jù)采集時間為一個小時． 由實驗數(shù)據(jù)計算X,Y,Z方向的RMS值分別為0.896 m、0.945 m、2.874 m．在靜止狀態(tài)下,考慮無外界特殊環(huán)境影響,數(shù)據(jù)的精度還是滿足導航終端的定位精度要求的．

3.2 動態(tài)定位精度分析

動態(tài)定位實驗在2018年6月17日在安徽省淮南市進行,路線規(guī)劃是從安徽理工大學到淮南顧橋煤礦,途徑謝家集區(qū),鳳臺縣,顧橋鎮(zhèn)等地,具體操作將導航終端天線安置在車頂,GPS接收機用強力磁鐵安裝在天線旁邊,如圖1所示,用鋼尺測出天線到接收機頂部中心的距離記錄在實驗表格中．

全程歷時兩個小時,測得的數(shù)據(jù)進行WGS-84坐標系向北京54坐標系轉換．然后進行精度分析．圖2示出了接收機數(shù)據(jù)為真值情況下,考慮了終端與接收機安裝的位置間隔,計算出終端的水平誤差值．由圖可知試驗全程終端的定位誤差都控制在3.5 m內,在部分時段出現(xiàn)偏差的情況,原因可能是出現(xiàn)樹木遮擋,湖面反射,信號塔影響等特殊情況．圖3為試驗過程部分時段的路線圖，可以看到終端和接收機的路線基本保持一致．圖4示出了對試驗過程分為七個時段分別計算出終端在X,Y方向的RMS值,基本保持穩(wěn)定,RMS最大值1.5 m．以上分析結果可知導航終端的定位結果完全滿足了車載導航的要求．

3.3 地圖匹配效果

由試驗數(shù)據(jù)和地圖的匹配如圖5所示,地圖的匹配效果良好,樹木遮擋等特殊環(huán)境下也可以有較好的匹配效果．

3.4 一般性能檢驗

對終端在信號遮擋情況下定位恢復的性能做了測試,模擬了信號遮擋的環(huán)境,通過實驗后對試驗數(shù)據(jù)的處理后得到,在信號遮擋后終端停止定位,移除遮擋后,終端恢復定位的時間平均值為4.5 s．

4 結束語

本文從車載導航終端的組合定位原理出發(fā),并給出了評價定位精度的方法(包括靜止狀態(tài)、移動狀態(tài)、地圖匹配等),其中模擬靜止和移動狀態(tài)的終端定位性能測試能全面地反應其定位精度的好壞．由實驗得知車載導航組合定位終端的定位精度可達到最大水平誤差3.5 m,和車載終端單GPS定位的精度相比有較大提高,定位結果和地圖匹配成果圖可看出匹配效果良好,在無樹木、無湖面、無信號塔的路段可以達到亞米級的定位精度．從終端在靜止狀態(tài)下的定位結果與已知點對比可知導航終端的定位精度比較高,但在路測時還是會出現(xiàn)誤差3.5 m的情況,可見環(huán)境對終端的定位結果有一定的影響,但最大水平誤差3.5 m出現(xiàn)的概率很小,出現(xiàn)長時間遮擋衛(wèi)星信號情況,組合定位終端可以在4.5 s左右恢復定位．由此可見組合定位終端相對于單GPS定位終端其定位精度明顯提高,抗干擾能力增強,其定位性能滿足人們對導航要求．