摘要：由于高樓大廈、高架橋、隧道、電磁、天氣等諸多因素影響，車載智能終端系統(tǒng)的衛(wèi)星定位單元所接收的衛(wèi)星信號(hào)容易受到干擾，造成衰減，對(duì)車載智能終端系統(tǒng)的導(dǎo)航定位效果產(chǎn)生較大影響。針對(duì)上述情況，基于車載智能終端系統(tǒng)的構(gòu)成，方案設(shè)計(jì)了融合定位模型，通過對(duì)其各分布子系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理，并反饋至衛(wèi)星定位單元協(xié)助其進(jìn)行定位解算。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，采用此方案方法能夠有效地縮短了車載智能終端系統(tǒng)的定位時(shí)間，改善弱信號(hào)條件下的定位精度。

關(guān)鍵詞：定位精度;分布;融合;預(yù)處理

一、引言

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)地不斷發(fā)展，作為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最重要組成部分之一的車載智能終端，其應(yīng)用需求也越來越多樣化。車載智能終端內(nèi)部不僅包含衛(wèi)星定位單元，大都還分布集成了慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）通信單元、大氣壓測(cè)量單元、信號(hào)檢測(cè)單元、地圖單元等子功能模塊。與此同時(shí)，用戶對(duì)車載智能終端的定位性能及精度的要求也越來越高?；诤侠砝梅植假Y源、節(jié)約成本、融合提升定位性能的原則，通過與衛(wèi)星定位模組廠商深度合作，分別發(fā)揮各自在數(shù)據(jù)預(yù)處理和定位求解方面的不同優(yōu)勢(shì)，本文提出了車載智能終端系統(tǒng)融合定位的解決方案[1]，并著重設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了融合定位前端數(shù)據(jù)的預(yù)處理機(jī)制，為后端負(fù)責(zé)定位求解的衛(wèi)星定位單元輸入更精確的數(shù)據(jù)，輔助提升衛(wèi)星定位單元的定位精度及性能。

二、 智能終端融合定位系統(tǒng)框架

車載智能終端融合定位系統(tǒng)由控制管理單元、衛(wèi)星定位單元、慣性測(cè)量單元、大氣壓測(cè)量單元、信號(hào)檢測(cè)單元、CAN通信單元、地圖單元模塊、無線通信單元等構(gòu)成，硬件系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

智能終端各子系統(tǒng)的功能作用說明如下：

（一）控制管理單元，是智能終端系統(tǒng)的中樞，控制管理整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)邏輯，負(fù)責(zé)同衛(wèi)星定位單元、IMU、大氣壓測(cè)量單元、信號(hào)檢測(cè)單元、CAN通信單元、地圖單元等子功能模塊單元進(jìn)行信息交互，采集各子功能模塊的數(shù)據(jù)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合預(yù)處理，并反饋輸入至衛(wèi)星定位單元;

（二）衛(wèi)星定位單元通過通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， UART）接口與控制管理單元進(jìn)行通信，對(duì)外輸出位置信息，接收控制管理單元預(yù)處理輸入的各項(xiàng)輔助數(shù)據(jù)，結(jié)合衛(wèi)星天線接收的星歷數(shù)據(jù)進(jìn)行融合定位計(jì)算;

（三）IMU負(fù)責(zé)計(jì)算終端的航向方位動(dòng)態(tài)信息和三軸加速度信息，并輸出至控制管理單元;

（四）大氣壓測(cè)量單元集成了氣壓傳感器，實(shí)時(shí)采集大氣壓數(shù)值，并通過控制管理單元計(jì)算轉(zhuǎn)換成海拔高度，以供進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理和上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器;

（五）信號(hào)檢測(cè)單元負(fù)責(zé)采集點(diǎn)火開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈等車輛的信號(hào)，協(xié)助控制管理單元確認(rèn)車輛狀態(tài);

（六）CAN通信單元負(fù)責(zé)采集車輛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等汽車總線信號(hào)數(shù)據(jù)，并根據(jù)定義解析轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)值;

（七）地圖單元接收顯示衛(wèi)星定位單元的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，并與內(nèi)置的地圖信息進(jìn)行位置匹配，在地圖上進(jìn)行逆向定位，反饋輸出匹配點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息，如經(jīng)緯度、行進(jìn)方向、海拔、道路屬性等;

（八）無線通信單元負(fù)責(zé)移動(dòng)通信，實(shí)時(shí)輸出當(dāng)前通信基站的小區(qū)識(shí)別碼等信息，并與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)交互。

在車載智能終端融合定位系統(tǒng)，控制管理單元對(duì)從各功能單元模塊采集的方位、速度、加速度、海拔高度等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并向衛(wèi)星定位單元輸入經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星定位單元根據(jù)當(dāng)前定位信號(hào)情況及解算的位置數(shù)據(jù)質(zhì)量，融合外部數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助定位計(jì)算。在借助外部數(shù)據(jù)參與定位計(jì)算，衛(wèi)星定位單元不僅可以基于輸入的速度以及海拔信息來求解未知向量，加快定位速度，還可以利用輸入的航向方位、加速度值進(jìn)行慣導(dǎo)輔助定位計(jì)算，也可以結(jié)合地圖單元反饋輸出的位置信息，校正自身計(jì)算的定位結(jié)果，多方面地提升定位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。

三、數(shù)據(jù)融合預(yù)處理機(jī)制

（一）車速融合預(yù)處理

（二）海拔融合預(yù)處理

在衛(wèi)星定位計(jì)算中，海拔是一個(gè)關(guān)鍵的坐標(biāo)信息。如果能夠提前獲取海拔，通過在相鄰定位歷元間構(gòu)建基于氣壓海拔短時(shí)變化量的約束方程并在局域垂線站心坐標(biāo)系下進(jìn)行聯(lián)立求解，能夠在不具備氣象基準(zhǔn)修正信息的情況下，能夠降低定位計(jì)算復(fù)雜度，也能縮短定位時(shí)間，提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位的精度[5]。

智能終端融合定位系統(tǒng)中，控制管理單元通過大氣壓測(cè)量單元實(shí)時(shí)采集大氣壓數(shù)據(jù)P，并根據(jù)海拔大氣壓轉(zhuǎn)化公式（5）：

計(jì)算出海拔數(shù)值（其中H為海拔高度，P₀為標(biāo)準(zhǔn)大大氣壓值101.325 kPa）[6]。但是通過大氣壓測(cè)試單元計(jì)算輸出的海拔，受環(huán)境因素影響誤差較大，若直接參與定位將引入初始計(jì)算誤差，因此同樣也需要進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償預(yù)處理，其機(jī)制如下：

在標(biāo)定學(xué)習(xí)階段，在滿足可用衛(wèi)星數(shù)量不小于4顆，且各衛(wèi)星信噪比大于30，定位模式為3D定位，PDOP值、HDOP、VDOP均小于3的精確定位條件下，控制管理單元采集衛(wèi)星定位單元計(jì)算輸出的海拔Aj、氣壓測(cè)量單元所得的海拔Ai，基于當(dāng)前精確的衛(wèi)星定位單元輸出的海拔對(duì)氣壓測(cè)量單元所得的海拔進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償，得到Ai和Aj之間補(bǔ)償數(shù)值δi。其中Ai采用去最值取平均方式降低隨機(jī)干擾，并結(jié)合通信單元輸出的小區(qū)識(shí)別碼cell id等信息，形成了一組cell id、Ai、Aj、經(jīng)緯度、時(shí)間等要素的映射關(guān)系。在車輛的運(yùn)行中，動(dòng)態(tài)地完善網(wǎng)格區(qū)補(bǔ)償關(guān)系表。同時(shí)基于聯(lián)網(wǎng)功能，車載智能終端在每生成一組網(wǎng)格區(qū)的補(bǔ)償關(guān)系，就可通過通信單元無線聯(lián)網(wǎng)功能，把當(dāng)前網(wǎng)格區(qū)類型、小區(qū)識(shí)別碼、 經(jīng)緯度、大氣壓海拔Ai與衛(wèi)星定位單元海拔Aj及二者補(bǔ)償數(shù)值δi等信息，上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器端。遠(yuǎn)程服務(wù)器利用其運(yùn)算力及大數(shù)據(jù)算法，對(duì)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)不同終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，進(jìn)一步得到同一網(wǎng)格區(qū)下，不同海拔區(qū)間、不同時(shí)段條件下，更精確、更全面的大氣壓海拔Ai和衛(wèi)星定位單元海拔Aj的補(bǔ)償數(shù)值δ'i組，進(jìn)而得到不同網(wǎng)格區(qū)的補(bǔ)償數(shù)值δ'i表，并可通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前網(wǎng)格區(qū)的補(bǔ)償數(shù)值表給車載智能終端。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，車載智能終端控制管理單元根據(jù)大氣壓測(cè)量單元計(jì)算的海拔Ai和通信單元輸出的當(dāng)前小區(qū)識(shí)別碼或當(dāng)前經(jīng)緯度，獲取相應(yīng)的海拔補(bǔ)償數(shù)值，計(jì)算得到標(biāo)定條件下的海拔A'j，反饋輸入至衛(wèi)星定位單元[7]。其中海拔補(bǔ)償數(shù)值應(yīng)優(yōu)先使用從遠(yuǎn)程服務(wù)器端獲取的精確補(bǔ)償表對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)δ'i，其次采用車載智能終端離線學(xué)習(xí)標(biāo)定的補(bǔ)償表的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)δi，當(dāng)δ'i和δi數(shù)據(jù)表均未生成時(shí)，取終端內(nèi)部前一次有效補(bǔ)償數(shù)值δ。

衛(wèi)星定位單元在衛(wèi)星信號(hào)較弱的情況下，可利用輸入的海拔A'_j，在相鄰定位歷元間構(gòu)建約束方程求解未知向量，加快定位速度。

（三）慣性數(shù)據(jù)融合預(yù)處理

使用微型慣性傳感器（Micro Electro? Mechanical System， MEMS）構(gòu)成的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是衛(wèi)星定位的重要手段[8]，其精度決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，所以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一項(xiàng)主要工作就是控制慣性傳感器誤差。

提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)精度的手段大致有以下兩種，第一種是從工藝上提高慣性傳感器的精度;第二種是采用誤差補(bǔ)償方式來對(duì)于系統(tǒng)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償[9]。本方案屬于分布式捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，利用車輛真實(shí)姿態(tài)，結(jié)合算法擬合方式進(jìn)行補(bǔ)償誤差。

控制管理單元實(shí)時(shí)通過CAN通信單元采集車輛油門踏板位置、剎車踏板位置、轉(zhuǎn)向輪角度、車速信息，計(jì)算出油門踏板、剎車踏板、轉(zhuǎn)向輪角度、速度的變化率?；谲囕v與IMU具備相同慣性屬性原則，對(duì)IMU輸出的縱向加速度、偏航角速度進(jìn)行初始過濾清洗，剔除毛刺數(shù)據(jù)，得到更準(zhǔn)確地慣性數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步基于實(shí)時(shí)車速、轉(zhuǎn)向輪角度的計(jì)算得到的加速度和角速度，同IMU輸出縱向加速度、偏航角速度，建立最小二分乘法歸一化擬合曲線，標(biāo)定學(xué)習(xí)得到IMU縱向加速度基于車輛加速度，偏航角速度基于轉(zhuǎn)向輪角度的補(bǔ)償系數(shù)[10]。

控制管理單元實(shí)時(shí)采集慣性測(cè)量單元輸出的動(dòng)態(tài)角速度和加速度信息，并通過CAN通信單元采集車輛油門踏板位置、剎車踏板位置、方向盤轉(zhuǎn)角信息，計(jì)算油門踏板、剎車踏板、方向轉(zhuǎn)角的變化率[11]。車載智能終端集成的慣性測(cè)量單元和其所承載的車輛具備相同的慣性屬性，因此控制管理單元根據(jù)油門踏板、剎車踏板、方向盤轉(zhuǎn)角的變化情況，可以對(duì)慣性測(cè)量單元的加速度、角速度數(shù)值的進(jìn)行有效性判斷、清洗和過濾毛刺數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到更準(zhǔn)確地慣性數(shù)據(jù)。

經(jīng)過控制管理單元預(yù)處理的加速度、角速度信息，結(jié)合衛(wèi)星定位單元的初始經(jīng)緯度、速度、方向信息，衛(wèi)星定位單元可執(zhí)行慣導(dǎo)定位解算，用于弱信號(hào)下的定位求解及數(shù)據(jù)校正，提升定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

此外，根據(jù)車載智能終端的運(yùn)算力和性能越來強(qiáng)大的發(fā)展趨勢(shì)，控制管理單元也可以參與慣導(dǎo)定位中局部或者全部的參數(shù)項(xiàng)的解算，進(jìn)一步分擔(dān)位置衛(wèi)星定位單元的計(jì)算壓力，提升車載智能終端整體定位性能。

（四）地圖匹配融合預(yù)處理

地圖單元對(duì)衛(wèi)星定位單元輸出的原始經(jīng)緯度信息進(jìn)行匹配，在地圖數(shù)據(jù)庫逆向定位，讀取當(dāng)前位置點(diǎn)的地圖信息，如經(jīng)緯度、海拔信息，道路屬性等，并結(jié)合當(dāng)前車輛運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)預(yù)判擬合，輸出車輛行進(jìn)方向（北偏東為正）、前方岔路口的距離、匹配可行性度等信息，控制管理單元通過NMEA通信接口將地圖匹配信息項(xiàng)輸出至衛(wèi)星定位單元。其中NMEA語句格式，可參考如下：

$GISMM，lon，lat，ati，heading，flag，fork，dis，resv*cc

衛(wèi)星定位單元根據(jù)地圖單元反饋的信息，對(duì)模塊內(nèi)部經(jīng)緯度、方向、高度等位置信息向量計(jì)算進(jìn)行校正修訂，提升組合定位系統(tǒng)精度和性能[12]。其中地圖單元的融合反饋數(shù)據(jù)格式如表2：

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

經(jīng)對(duì)比測(cè)試，本文所設(shè)計(jì)方案相對(duì)普通MEMS慣性傳感器構(gòu)成的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)方案，在水平精度和航向角測(cè)姿精度方面改善明顯，衛(wèi)星信號(hào)失效時(shí)間越長(zhǎng)，定位效果表現(xiàn)更好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

五、 結(jié)束語

通過分布資源的組合利用，對(duì)多種輔助定位信息進(jìn)行融合預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)的精確度，反饋協(xié)助定位解算。其中衛(wèi)星定位單元通過接收處理控制管理單元預(yù)處理輸入的速度、海拔、方位、加速度、以及地圖匹配單元的融合信息，參與位置輔助定位計(jì)算，不但可以降低環(huán)境因素對(duì)定位信號(hào)影響，縮短定位時(shí)間，改善定位精度，也可以降低衛(wèi)星定位單元的中央處理器（Central Processing Unit， CPU）的運(yùn)行負(fù)載壓力，進(jìn)而向控制管理單元輸出更高質(zhì)量定位數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)方案中，車載智能終端系統(tǒng)始終處于星歷定位、多源校正、融合定位的閉環(huán)反饋系統(tǒng)中，定位精度將得到持續(xù)有效地提高。

作者單位：陳挺? ? 廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司研發(fā)中心

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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