車(chē)載組合定位終端定位性能分析

袁蹈,呂偉才,袁曉鑫,許妙強(qiáng),褚敏,彭小強(qiáng),葛祥

(安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232000)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,二十一世紀(jì)以來(lái)汽車(chē)的數(shù)量呈現(xiàn)井噴式的增長(zhǎng)．而汽車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)給原本不太方便的交通制造了很大的壓力．針對(duì)這種情況,交通管理部門(mén)、各研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校科研部門(mén)均做了相當(dāng)大的投入進(jìn)行研究,第三代車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生．系統(tǒng)融合了GPS定位、電子地圖,移動(dòng)通信等先進(jìn)技術(shù),可以通過(guò)車(chē)載終端獲得定位信息,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的處理后對(duì)車(chē)輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、路徑規(guī)劃、歷史軌跡回放、緊急情況求救．而GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)定位環(huán)境要求比較嚴(yán)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(huì)受到很大影響,定位偏差達(dá)到數(shù)十米,將此類(lèi)定位得到點(diǎn)的坐標(biāo)稱(chēng)為野值點(diǎn),而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)則可以通過(guò)GPS提供起始點(diǎn)和起始方位角可在任何環(huán)境下精確定位,通過(guò)兩種定位技術(shù)組合,可得到高精度定位結(jié)果．本文從導(dǎo)航系統(tǒng)組合定位的原理出發(fā)結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)載導(dǎo)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(dǎo)航定位系統(tǒng)由衛(wèi)星、監(jiān)控中心、接收機(jī)三部分組成,可確保接收機(jī)在任何時(shí)刻接收到四顆或以上的衛(wèi)星信號(hào)．導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位原理是測(cè)距交繪定位,由衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào)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(jī),通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)到接收機(jī)，接收到信號(hào)的時(shí)間乘以光速計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)的距離,而只需要接收機(jī)到三顆衛(wèi)星的距離就可以得到三個(gè)關(guān)于接收機(jī)位置的三個(gè)觀測(cè)方程,即可估算出接收機(jī)的具體位置[1],而實(shí)際定位過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的誤差,通過(guò)四顆衛(wèi)星的四個(gè)觀測(cè)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(jī)的距離;(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)為供定位信息的四個(gè)衛(wèi)星坐標(biāo)．

按照計(jì)算衛(wèi)星到接收機(jī)距離的方式又可以將定位原理分為單點(diǎn)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(guò)建立在具有精密已知坐標(biāo)的已知點(diǎn)上的接收機(jī), 計(jì)算出包含軌道誤差、時(shí)鐘誤差、SA影響、大氣影響、多路徑效應(yīng)及其他誤差的坐標(biāo)改正數(shù)[3]:

(2)

式中,ΔX、ΔY、ΔZ為各個(gè)方向距離誤差累加項(xiàng)．

基準(zhǔn)站通過(guò)電臺(tái)或通訊網(wǎng)絡(luò)將測(cè)得的誤差改正數(shù)發(fā)送到接收機(jī),可以很大程度地消除誤差和影響,接收機(jī)通過(guò)對(duì)自身定位的處理獲得相對(duì)精度較高的定位結(jié)果．

(3)

式中,XP、YP、ZP為用戶(hù)接收機(jī)接收差分信息后計(jì)算得到的精確位置信息．

1.2 傳感器定位

傳感器的種類(lèi)有很多,應(yīng)用在車(chē)載導(dǎo)航上的傳感器也可分為機(jī)械傳感器和磁力傳感器,傳感器在移動(dòng)狀態(tài)會(huì)有加速度和姿態(tài)的變化(包括速度位移誤差的各三個(gè)分量,和兩個(gè)傾斜誤差),通過(guò)測(cè)定加速度和姿態(tài)后對(duì)其積分可獲得傳感器的位移量和方向變化量,當(dāng)起始的位置和方位角給定后可規(guī)定周期對(duì)傳感器的位置重新定位．如果傳感器的采樣周期為T(mén),則可確定傳感器位置坐標(biāo)為[2]

(4)

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

1.3 GPS/INS組合導(dǎo)航定位原理

車(chē)載導(dǎo)航定位終端組合定位的兩種定位技術(shù)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(hào)接收良好的情況下可以使用GPS對(duì)導(dǎo)航終端進(jìn)行定位,定位精度可以達(dá)到亞米級(jí),而在衛(wèi)星信號(hào)被遮擋的情況下,GPS提供起算位置和方向角后INS對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估算的一種定位組合方式．松耦合的具體實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)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(chē)輛端的真實(shí)導(dǎo)航狀態(tài),δGNSS為GNSS輸出誤差;fGNSS(δGNSS,xhostveh)和白噪聲過(guò)程wGNSS(t)為假定GNSS/INS集成配置中δGNSS的動(dòng)態(tài)模型;fINS(δINS,xhostveh)和白噪聲過(guò)程wINS(t)為假定GNSS/INS集成配置中δINS的動(dòng)態(tài)模型,結(jié)合以上模型通過(guò)卡爾曼濾波器可實(shí)現(xiàn)組合定位結(jié)果輸出．由于篇幅原因松耦合的完整濾波模型包括二十個(gè)狀態(tài)變量和緊耦合原理不再贅述,詳細(xì)可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]．

2 定位精度檢驗(yàn)

2.1 靜態(tài)精度檢驗(yàn)

測(cè)試導(dǎo)航終端在靜止?fàn)顟B(tài)下的定位精度．將導(dǎo)航終端的定位天線放置在已知點(diǎn)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)與已知坐標(biāo)對(duì)比,數(shù)據(jù)作差并計(jì)算其均方根差,可有效地反映終端的定位精度．

2.2 動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)

車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)主要針對(duì)的是車(chē)輛的定位和導(dǎo)航,主要是移動(dòng)狀態(tài)的定位,導(dǎo)航終端的定位難點(diǎn)是提高對(duì)精度的控制．導(dǎo)航終端的動(dòng)態(tài)精度檢驗(yàn)可以采用高精度的GPS接收機(jī)和終端同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,再做數(shù)據(jù)對(duì)比分析．如在載體(汽車(chē))上安裝導(dǎo)航終端和高精度GPS接收機(jī),同時(shí)開(kāi)啟進(jìn)行定位,GPS接收機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)[6]．可當(dāng)做真值對(duì)終端得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行做差,然后進(jìn)行均方根差統(tǒng)計(jì),這可以作為比較定位精度的一個(gè)參考值．如需增加數(shù)據(jù)對(duì)比的可信度,可在不同的環(huán)境下進(jìn)行跑車(chē)實(shí)驗(yàn),如不同路段,不同時(shí)間段,對(duì)各個(gè)環(huán)境的定位精度做出對(duì)比．

2.3 無(wú)對(duì)比值監(jiān)測(cè)

在有些環(huán)境下,無(wú)法獲得準(zhǔn)確的對(duì)比值,無(wú)法與真值做比較,但可以使用相同路段對(duì)比的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比,具體操作是在同一個(gè)路段,進(jìn)行反復(fù)的跑車(chē)實(shí)驗(yàn),最后用相同路段多次實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,即可判斷出終端數(shù)據(jù)采集的精度．

2.4 組合導(dǎo)航地圖匹配

車(chē)載導(dǎo)航最終的成果是將定位結(jié)果直觀地展現(xiàn)給用戶(hù),現(xiàn)在電子產(chǎn)品可以通過(guò)顯示屏將地圖展現(xiàn)出來(lái),也就是電子地圖．導(dǎo)航的定位結(jié)果就是承載在電子地圖之上,與地圖的匹配結(jié)果就是導(dǎo)航系統(tǒng)的最終成果．定位的數(shù)據(jù)與電子地圖有個(gè)匹配的過(guò)程,而定位點(diǎn)如果不在道路之上則說(shuō)明定位結(jié)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(diǎn)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(shí)例分析

實(shí)驗(yàn)使用的車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)由服務(wù)器,終端組成．服務(wù)器安裝在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)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(guān)、存儲(chǔ)進(jìn)程和oracle數(shù)據(jù)庫(kù)、webgis、memcache．終端由T24-INS-主機(jī)、T24-INS-20PIN連接線、通道一體天線、IC卡、電瓶等組成．服務(wù)器開(kāi)啟后,終端開(kāi)機(jī)自動(dòng)與服務(wù)器連接,差分?jǐn)?shù)據(jù)、采樣間隔、連接端口等設(shè)置完成后終端開(kāi)始定位．

3.1 靜態(tài)定位精度分析

靜止?fàn)顟B(tài)下的數(shù)據(jù)采集精度分析實(shí)驗(yàn)是在2018年6月27日在安徽理工大學(xué)山南新校區(qū)測(cè)繪學(xué)院樓旁的GPS控制點(diǎn)進(jìn)行,這個(gè)控制點(diǎn)周?chē)鸁o(wú)遮擋物,視野開(kāi)闊,無(wú)信號(hào)干擾,排除多路徑等誤差累計(jì)的可能,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為一個(gè)小時(shí)． 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算X,Y,Z方向的RMS值分別為0.896 m、0.945 m、2.874 m．在靜止?fàn)顟B(tài)下,考慮無(wú)外界特殊環(huán)境影響,數(shù)據(jù)的精度還是滿(mǎn)足導(dǎo)航終端的定位精度要求的．

3.2 動(dòng)態(tài)定位精度分析

動(dòng)態(tài)定位實(shí)驗(yàn)在2018年6月17日在安徽省淮南市進(jìn)行,路線規(guī)劃是從安徽理工大學(xué)到淮南顧橋煤礦,途徑謝家集區(qū),鳳臺(tái)縣,顧橋鎮(zhèn)等地,具體操作將導(dǎo)航終端天線安置在車(chē)頂,GPS接收機(jī)用強(qiáng)力磁鐵安裝在天線旁邊,如圖1所示,用鋼尺測(cè)出天線到接收機(jī)頂部中心的距離記錄在實(shí)驗(yàn)表格中．

全程歷時(shí)兩個(gè)小時(shí),測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行WGS-84坐標(biāo)系向北京54坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換．然后進(jìn)行精度分析．圖2示出了接收機(jī)數(shù)據(jù)為真值情況下,考慮了終端與接收機(jī)安裝的位置間隔,計(jì)算出終端的水平誤差值．由圖可知試驗(yàn)全程終端的定位誤差都控制在3.5 m內(nèi),在部分時(shí)段出現(xiàn)偏差的情況,原因可能是出現(xiàn)樹(shù)木遮擋,湖面反射,信號(hào)塔影響等特殊情況．圖3為試驗(yàn)過(guò)程部分時(shí)段的路線圖，可以看到終端和接收機(jī)的路線基本保持一致．圖4示出了對(duì)試驗(yàn)過(guò)程分為七個(gè)時(shí)段分別計(jì)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(jié)果可知導(dǎo)航終端的定位結(jié)果完全滿(mǎn)足了車(chē)載導(dǎo)航的要求．

3.3 地圖匹配效果

由試驗(yàn)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(shù)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(yàn)

對(duì)終端在信號(hào)遮擋情況下定位恢復(fù)的性能做了測(cè)試,模擬了信號(hào)遮擋的環(huán)境,通過(guò)實(shí)驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理后得到,在信號(hào)遮擋后終端停止定位,移除遮擋后,終端恢復(fù)定位的時(shí)間平均值為4.5 s．

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從車(chē)載導(dǎo)航終端的組合定位原理出發(fā),并給出了評(píng)價(jià)定位精度的方法(包括靜止?fàn)顟B(tài)、移動(dòng)狀態(tài)、地圖匹配等),其中模擬靜止和移動(dòng)狀態(tài)的終端定位性能測(cè)試能全面地反應(yīng)其定位精度的好壞．由實(shí)驗(yàn)得知車(chē)載導(dǎo)航組合定位終端的定位精度可達(dá)到最大水平誤差3.5 m,和車(chē)載終端單GPS定位的精度相比有較大提高,定位結(jié)果和地圖匹配成果圖可看出匹配效果良好,在無(wú)樹(shù)木、無(wú)湖面、無(wú)信號(hào)塔的路段可以達(dá)到亞米級(jí)的定位精度．從終端在靜止?fàn)顟B(tài)下的定位結(jié)果與已知點(diǎn)對(duì)比可知導(dǎo)航終端的定位精度比較高,但在路測(cè)時(shí)還是會(huì)出現(xiàn)誤差3.5 m的情況,可見(jiàn)環(huán)境對(duì)終端的定位結(jié)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(zhǎng)時(shí)間遮擋衛(wèi)星信號(hào)情況,組合定位終端可以在4.5 s左右恢復(fù)定位．由此可見(jiàn)組合定位終端相對(duì)于單GPS定位終端其定位精度明顯提高,抗干擾能力增強(qiáng),其定位性能滿(mǎn)足人們對(duì)導(dǎo)航要求．