MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航技術(shù)在城市智能公交中的應(yīng)用

劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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MIMU/DGNSS組合導(dǎo)航技術(shù)在城市智能公交中的應(yīng)用

劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)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(shè)計低成本MIMU和DGNSS松組合算法，并進(jìn)行兩類跑車實(shí)驗(yàn)。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(jī)的基準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行比對。實(shí)測結(jié)果表明,在城市復(fù)雜環(huán)境中該組合模塊定位連續(xù)性達(dá)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(shí)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(chǔ)上對公交線路或整個公交系統(tǒng)實(shí)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(dǎo)致定位精度變差，甚至無法工作[2]。隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航產(chǎn)業(yè)民用化率先在交通運(yùn)輸領(lǐng)域試點(diǎn)推廣，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和移動通信網(wǎng)絡(luò)的車輛遠(yuǎn)程管理/調(diào)度方案成為智能交通領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[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(dǎo)致公交車無法進(jìn)行定位或定位精度較差的情況。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)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(dǎo)致長時間定位結(jié)果可靠性不高。組合導(dǎo)航系統(tǒng)可充分發(fā)揮各導(dǎo)航裝置的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)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(jī)電導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低成本組合導(dǎo)航已經(jīng)成為可能。松組合導(dǎo)航方式具有工程實(shí)現(xiàn)簡單、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且在國內(nèi)目前的研究中，已取得很好的進(jìn)展[4]，但在公共交通領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)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(dǎo)航模塊應(yīng)用在城市公交中，將衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)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(shí)時運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)前的準(zhǔn)確位置，而且可以提高公交定位的連續(xù)性、可靠性。

1 技術(shù)原理

1.1 MIMU/DGNSS松組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用MIMU和DGNSS松組合方式構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，根據(jù)位置、速度組合導(dǎo)航方案，采用間接Kalman濾波及閉環(huán)校正方式，MIMU輸出運(yùn)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(gòu)如圖1所示。

圖1 低成本MIMU/DGNSS松組合方式

利用MIMU導(dǎo)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(jìn)行DGNSS/MIMU組合導(dǎo)航濾波，然后利用濾波結(jié)果閉環(huán)校正慣導(dǎo)輸出的姿態(tài)導(dǎo)航參數(shù)，從而完成導(dǎo)航輸出，同時對慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器誤差和數(shù)學(xué)平臺誤差進(jìn)行反饋校正，以進(jìn)行下一次導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)分析

2.1 數(shù)據(jù)背景

本次實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備(低成本MIMU和DGNSS松組合導(dǎo)航平臺)采用核芯星通UM220-INS衛(wèi)星增強(qiáng)高精度OEM模塊，在實(shí)驗(yàn)前已將上述原理中所述組合導(dǎo)航算法在模塊中實(shí)現(xiàn)，可在線處理測試數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)設(shè)備為中海達(dá)H32 BeiDou/GPS/GLONASS雙頻實(shí)時動態(tài)GNSS接收機(jī)，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(zhǔn)設(shè)備精度滿足測試需求。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在鄭州進(jìn)行采集，利用鄭州市當(dāng)?shù)谻ORS網(wǎng)為測試設(shè)備提供實(shí)時高精度差分改正數(shù)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)設(shè)備和組合模塊的差分定位，基準(zhǔn)和測試的采樣率都為1 Hz。實(shí)驗(yàn)過程中用別克商務(wù)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(dǎo)航模塊天線A2位置，白色接收機(jī)為基準(zhǔn)RTK設(shè)備C2位置)。實(shí)驗(yàn)過程中選取不同的路段進(jìn)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(dǎo)航模塊定位結(jié)果的可靠性及穩(wěn)定性。

圖2 天線位置關(guān)系圖

圖3 實(shí)驗(yàn)車頂測試平臺示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

第一類實(shí)驗(yàn)，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(jī)和組合導(dǎo)航模塊進(jìn)行精度和連續(xù)性分析如圖4所示(紅色為RTK接收機(jī)軌跡，白色為行車軌跡)。以中海達(dá)RTK數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用自編寫的GNSS測試軟件對組合導(dǎo)航模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如表1所示。

表1 基準(zhǔn)RTK定位和組合導(dǎo)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(shí)際定位數(shù)據(jù)條數(shù)

第二類實(shí)驗(yàn)，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(zhǔn)RTK數(shù)據(jù)的連續(xù)性。同時，組合導(dǎo)航模塊人為設(shè)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(dǎo)航模塊測試數(shù)據(jù)和高精度差分GNSS基準(zhǔn)定位誤差，著重對衛(wèi)星信號失鎖的90 s內(nèi)組合導(dǎo)航模塊性能進(jìn)行測試評估，如圖5所示。

圖4 測試路線軌跡對比

在0對應(yīng)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(fù)天線，導(dǎo)航結(jié)果會慢慢恢復(fù)到3 m以內(nèi)。

圖6 拔天線前后組合導(dǎo)航模塊水平定位精度(時段1、2)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)比對結(jié)果表明：高精度基準(zhǔn)RTK能實(shí)現(xiàn)厘米級定位但受復(fù)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(dǎo)航模塊在復(fù)雜城市環(huán)境的定位連續(xù)性達(dá)99.59%，其中75.68%在3 m以內(nèi)，同時當(dāng)衛(wèi)星信號短時失鎖(約60 s)的情況下，組合導(dǎo)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(dǎo)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(shí)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(shè)的大勢所趨，是提高社會公共服務(wù)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(dǎo)航模塊在城市公交中的應(yīng)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(shù)保證，具有良好的實(shí)用價值。

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[責(zé)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(xué)“2110工程”建設(shè)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(dǎo)航技術(shù)在城市智能公交中的應(yīng)用[J].測繪工程，2017，26(3)：51-55.