基于融合定位的預處理機制設計

摘要：由于高樓大廈、高架橋、隧道、電磁、天氣等諸多因素影響，車載智能終端系統的衛星定位單元所接收的衛星信號容易受到干擾，造成衰減，對車載智能終端系統的導航定位效果產生較大影響。針對上述情況，基于車載智能終端系統的構成，方案設計了融合定位模型，通過對其各分布子系統的信號數據預處理，并反饋至衛星定位單元協助其進行定位解算。通過測試實驗對比分析，采用此方案方法能夠有效地縮短了車載智能終端系統的定位時間，改善弱信號條件下的定位精度。

關鍵詞：定位精度;分布;融合;預處理

一、引言

隨著車聯網技術地不斷發展，作為車聯網系統最重要組成部分之一的車載智能終端，其應用需求也越來越多樣化。車載智能終端內部不僅包含衛星定位單元，大都還分布集成了慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）、控制器局域網絡（Controller Area Network， CAN）通信單元、大氣壓測量單元、信號檢測單元、地圖單元等子功能模塊。與此同時，用戶對車載智能終端的定位性能及精度的要求也越來越高。基于合理利用分布資源、節約成本、融合提升定位性能的原則，通過與衛星定位模組廠商深度合作，分別發揮各自在數據預處理和定位求解方面的不同優勢，本文提出了車載智能終端系統融合定位的解決方案[1]，并著重設計實現了融合定位前端數據的預處理機制，為后端負責定位求解的衛星定位單元輸入更精確的數據，輔助提升衛星定位單元的定位精度及性能。

二、 智能終端融合定位系統框架

車載智能終端融合定位系統由控制管理單元、衛星定位單元、慣性測量單元、大氣壓測量單元、信號檢測單元、CAN通信單元、地圖單元模塊、無線通信單元等構成，硬件系統原理框圖如圖1所示。

智能終端各子系統的功能作用說明如下：

（一）控制管理單元，是智能終端系統的中樞，控制管理整個系統，實現各項業務邏輯，負責同衛星定位單元、IMU、大氣壓測量單元、信號檢測單元、CAN通信單元、地圖單元等子功能模塊單元進行信息交互，采集各子功能模塊的數據，對所采集的數據進行融合預處理，并反饋輸入至衛星定位單元;

（二）衛星定位單元通過通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter， UART）接口與控制管理單元進行通信，對外輸出位置信息，接收控制管理單元預處理輸入的各項輔助數據，結合衛星天線接收的星歷數據進行融合定位計算;

（三）IMU負責計算終端的航向方位動態信息和三軸加速度信息，并輸出至控制管理單元;

（四）大氣壓測量單元集成了氣壓傳感器，實時采集大氣壓數值，并通過控制管理單元計算轉換成海拔高度，以供進行業務數據處理和上傳遠程服務器;

（五）信號檢測單元負責采集點火開關、轉向燈等車輛的信號，協助控制管理單元確認車輛狀態;

（六）CAN通信單元負責采集車輛速度、發動機轉速等汽車總線信號數據，并根據定義解析轉換成相應的數值;

（七）地圖單元接收顯示衛星定位單元的實時位置數據，并與內置的地圖信息進行位置匹配，在地圖上進行逆向定位，反饋輸出匹配點關聯信息，如經緯度、行進方向、海拔、道路屬性等;

（八）無線通信單元負責移動通信，實時輸出當前通信基站的小區識別碼等信息，并與遠程服務器進行應用數據交互。

在車載智能終端融合定位系統，控制管理單元對從各功能單元模塊采集的方位、速度、加速度、海拔高度等數據進行預處理，并向衛星定位單元輸入經過預處理的數據，衛星定位單元根據當前定位信號情況及解算的位置數據質量，融合外部數據進行輔助定位計算。在借助外部數據參與定位計算，衛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、加速度值進行慣導輔助定位計算，也可以結合地圖單元反饋輸出的位置信息，校正自身計算的定位結果，多方面地提升定位數據準確度。

三、數據融合預處理機制

（一）車速融合預處理

（二）海拔融合預處理

在衛星定位計算中，海拔是一個關鍵的坐標信息。如果能夠提前獲取海拔，通過在相鄰定位歷元間構建基于氣壓海拔短時變化量的約束方程并在局域垂線站心坐標系下進行聯立求解，能夠在不具備氣象基準修正信息的情況下，能夠降低定位計算復雜度，也能縮短定位時間，提高衛星導航定位的精度[5]。

智能終端融合定位系統中，控制管理單元通過大氣壓測量單元實時采集大氣壓數據P，并根據海拔大氣壓轉化公式（5）：

計算出海拔數值（其中H為海拔高度，P₀為標準大大氣壓值101.325 kPa）[6]。但是通過大氣壓測試單元計算輸出的海拔，受環境因素影響誤差較大，若直接參與定位將引入初始計算誤差，因此同樣也需要進行標定補償預處理，其機制如下：

在標定學習階段，在滿足可用衛星數量不小于4顆，且各衛星信噪比大于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星定位單元計算輸出的海拔Aj、氣壓測量單元所得的海拔Ai，基于當前精確的衛星定位單元輸出的海拔對氣壓測量單元所得的海拔進行標定補償，得到Ai和Aj之間補償數值δi。其中Ai采用去最值取平均方式降低隨機干擾，并結合通信單元輸出的小區識別碼cell id等信息，形成了一組cell id、Ai、Aj、經緯度、時間等要素的映射關系。在車輛的運行中，動態地完善網格區補償關系表。同時基于聯網功能，車載智能終端在每生成一組網格區的補償關系，就可通過通信單元無線聯網功能，把當前網格區類型、小區識別碼、 經緯度、大氣壓海拔Ai與衛星定位單元海拔Aj及二者補償數值δi等信息，上傳至遠程服務器端。遠程服務器利用其運算力及大數據算法，對車聯網系統內不同終端的數據進行融合處理，進一步得到同一網格區下，不同海拔區間、不同時段條件下，更精確、更全面的大氣壓海拔Ai和衛星定位單元海拔Aj的補償數值δ'i組，進而得到不同網格區的補償數值δ'i表，并可通過無線通信網絡實時傳輸當前網格區的補償數值表給車載智能終端。

在數據預處理階段，車載智能終端控制管理單元根據大氣壓測量單元計算的海拔Ai和通信單元輸出的當前小區識別碼或當前經緯度，獲取相應的海拔補償數值，計算得到標定條件下的海拔A'j，反饋輸入至衛星定位單元[7]。其中海拔補償數值應優先使用從遠程服務器端獲取的精確補償表對應數據δ'i，其次采用車載智能終端離線學習標定的補償表的對應數據δi，當δ'i和δi數據表均未生成時，取終端內部前一次有效補償數值δ。

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

（三）慣性數據融合預處理

使用微型慣性傳感器（Micro Electro? Mechanical System， MEMS）構成的捷聯式慣導系統是衛星定位的重要手段[8]，其精度決定了慣性導航系統的精度，所以慣性導航系統的一項主要工作就是控制慣性傳感器誤差。

提高慣性導航系統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償方式來對于系統的誤差進行補償[9]。本方案屬于分布式捷聯慣導系統，利用車輛真實姿態，結合算法擬合方式進行補償誤差。

控制管理單元實時通過CAN通信單元采集車輛油門踏板位置、剎車踏板位置、轉向輪角度、車速信息，計算出油門踏板、剎車踏板、轉向輪角度、速度的變化率。基于車輛與IMU具備相同慣性屬性原則，對IMU輸出的縱向加速度、偏航角速度進行初始過濾清洗，剔除毛刺數據，得到更準確地慣性數據。

進一步基于實時車速、轉向輪角度的計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，標定學習得到IMU縱向加速度基于車輛加速度，偏航角速度基于轉向輪角度的補償系數[10]。

控制管理單元實時采集慣性測量單元輸出的動態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、方向盤轉角信息，計算油門踏板、剎車踏板、方向轉角的變化率[11]。車載智能終端集成的慣性測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油門踏板、剎車踏板、方向盤轉角的變化情況，可以對慣性測量單元的加速度、角速度數值的進行有效性判斷、清洗和過濾毛刺數據，進而得到更準確地慣性數據。

經過控制管理單元預處理的加速度、角速度信息，結合衛星定位單元的初始經緯度、速度、方向信息，衛星定位單元可執行慣導定位解算，用于弱信號下的定位求解及數據校正，提升定位數據的準確性和精度。

此外，根據車載智能終端的運算力和性能越來強大的發展趨勢，控制管理單元也可以參與慣導定位中局部或者全部的參數項的解算，進一步分擔位置衛星定位單元的計算壓力，提升車載智能終端整體定位性能。

（四）地圖匹配融合預處理

地圖單元對衛星定位單元輸出的原始經緯度信息進行匹配，在地圖數據庫逆向定位，讀取當前位置點的地圖信息，如經緯度、海拔信息，道路屬性等，并結合當前車輛運動趨勢預判擬合，輸出車輛行進方向（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輸出至衛星定位單元。其中NMEA語句格式，可參考如下：

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

衛星定位單元根據地圖單元反饋的信息，對模塊內部經緯度、方向、高度等位置信息向量計算進行校正修訂，提升組合定位系統精度和性能[12]。其中地圖單元的融合反饋數據格式如表2：

四、實驗結果對比

經對比測試，本文所設計方案相對普通MEMS慣性傳感器構成的捷聯慣導系統方案，在水平精度和航向角測姿精度方面改善明顯，衛星信號失效時間越長，定位效果表現更好，實驗結果如表3所示。

五、 結束語

通過分布資源的組合利用，對多種輔助定位信息進行融合預處理，提高數據的精確度，反饋協助定位解算。其中衛星定位單元通過接收處理控制管理單元預處理輸入的速度、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算，不但可以降低環境因素對定位信號影響，縮短定位時間，改善定位精度，也可以降低衛星定位單元的中央處理器（Central Processing Unit， CPU）的運行負載壓力，進而向控制管理單元輸出更高質量定位數據。設計方案中，車載智能終端系統始終處于星歷定位、多源校正、融合定位的閉環反饋系統中，定位精度將得到持續有效地提高。

作者單位：陳挺? ? 廈門雅迅網絡股份有限公司研發中心

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