車載GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

　　引言

　　GPS （全球定位系統(tǒng)）是美國(guó)第二代無(wú)線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它能夠全球性、全天候、實(shí)時(shí)地提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)信息，但它也要求對(duì)衛(wèi)星有直接的可見性才能發(fā)揮其正常功能。在遇到城市高層建筑物、林蔭道、立交橋及涵洞隧道等時(shí)，GPS 接收機(jī)所收到的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)質(zhì)量會(huì)明顯地下降，甚至干脆出現(xiàn)“丟星現(xiàn)象”。這使得單獨(dú)使用GPS來(lái)導(dǎo)航定位不能夠連續(xù)地為運(yùn)動(dòng)車輛提供導(dǎo)航定位信息。因此我們采用了組合定位技術(shù)以解決上述問(wèn)題，下面具體分析。

　　航位推算（DR，Dead-Reckoning） 是一種常用的導(dǎo)航定位技術(shù)，其基本原理是利用方向傳感器和速度傳感器來(lái)推算車輛的瞬時(shí)位置，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自主式定位。但由于其推算過(guò)程是一個(gè)累加過(guò)程，方向傳感器的誤差隨時(shí)間的延長(zhǎng)而積累另外，推算只能確定相對(duì)位置和航向。導(dǎo)航開始時(shí)，需要預(yù)知車輛的初始絕對(duì)位置和方向，因此，航位推算方法并不能單獨(dú)、長(zhǎng)時(shí)間地使用。將航位推算與GPS 組合起來(lái)，兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短，可以彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，保系統(tǒng)能在任何時(shí)候都能為運(yùn)動(dòng)車輛提供較為準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。一方面可以利用GPS精確的定位結(jié)果輔助DR的初始化并且可以定期地用它對(duì)DR的定位誤差進(jìn)行在線校正另一方面，在GPS無(wú)法定位時(shí)系統(tǒng)又可以自動(dòng)地切換到DR導(dǎo)航方式，直至GPS 恢復(fù)正常接收后，系統(tǒng)再回到GPS 與DR的組合導(dǎo)航方式。與此同時(shí)，再實(shí)時(shí)地對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出信息與電子地圖進(jìn)行匹配，便可以將導(dǎo)航輸出信息可視化，解決了司機(jī)定向難的問(wèn)題。

　　車載GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

　　車載GPS/DR組合導(dǎo)航儀由3 部分組成：GPS 定位系統(tǒng)部分航位推算部分地圖匹配部分。圖1 為車載GPS/DR組合導(dǎo)航儀的原理圖。

　　全球定位系統(tǒng)

　　全球定位系統(tǒng)由GPS-OEM 主板、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板、天線及電源等組成。

　　目前，有很多廠商都能提供GPS-OEM 板產(chǎn)品，如SiRF、Conexant、Sych ip、GARM IN 等公司。其中美國(guó)GARM IN 公司是世界上最著名、深受用戶信賴的專業(yè)GPS 廠家，在GPS 的定位、導(dǎo)航領(lǐng)域一直走在世界最前列。由于GARM IN OEM 板的定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性，因而此方案采用了GARM IN 公司出品的GPS15-LVC 板。

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板與GPS-OEM 板連結(jié)，其作用是接收GPS 主板的原始數(shù)據(jù)、提取需要的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為與用戶機(jī)所需的數(shù)據(jù)格式，通過(guò)串口發(fā)送給用戶機(jī)。

　　航位推算系統(tǒng)

　　航位推算系統(tǒng)由角速率陀螺、里程計(jì)、低通濾波器、V/F 轉(zhuǎn)換器、電平轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器、微處理器、通訊線路等硬件組成， 其中方向傳感器采用角速率陀螺， 距離傳感器采用里程計(jì)。

　　航位推算方法是一種常用的自主式車輛定位技術(shù)，其中航向和距離傳感器被用來(lái)測(cè)量位移矢量，從而推算車輛的位置。車輛在tk 時(shí)刻的位置可表示為：

　　其中，（x0， y0）是車輛在t0時(shí)刻的初始位置，（xk ， yk）為車輛在tk 時(shí)刻的位置Si，θi分別是車輛從TI 時(shí)刻的位置（xi， yi）到TI+ 1時(shí)刻的位置（xi+1， yi+1）的位移矢量的長(zhǎng)度和絕對(duì)航向。相對(duì)航向定義為連續(xù)兩個(gè)絕對(duì)航向之差，用Xi表示。若給出了t0、t1、tk時(shí)刻的相對(duì)航向測(cè)量值Xi，則tk時(shí)刻的車輛絕對(duì)航向θk 可由下式計(jì)算：

　　地圖匹配

　　地圖匹配算法采用概率決定的方法。系統(tǒng)必須知道起始點(diǎn)的位置和航向角。通常用速率陀螺儀給出的航向變化與車輛預(yù)期位置附近的地圖特征進(jìn)行相關(guān)性比較，當(dāng)測(cè)量出的車輛航向的顯著變化與數(shù)字地圖的矢量路線變化相關(guān)，那么車輛的真實(shí)位置可以在地圖上確定。根據(jù)車輛的具體位置可校正傳感器的漂移誤差，同時(shí)對(duì)車輪直徑誤差等誤差進(jìn)行標(biāo)定。相關(guān)性地圖匹配算法在車輛行駛航向有比較大的改變時(shí)（例如車輛在十字路口拐彎時(shí)） 效果最好。

　　試驗(yàn)結(jié)果

　　為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度、可靠性，對(duì)比GPS 系統(tǒng)與GPS/DR組合系統(tǒng)的性能，利用1∶500 的比例尺地圖制作了電子地圖，選擇跑車路線如圖2 所示，進(jìn)行跑車試驗(yàn)。所得試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)單獨(dú)GPS 定位時(shí)，所得定位軌跡是不連續(xù)的，并且有“上房現(xiàn)象”。而采用GPS/DR進(jìn)行組合后，其定位軌跡連續(xù)，且始終行駛在正確的道路上。

　　結(jié)論

　　GPS/DR組合車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)將GPS 與DR相結(jié)合，從而提高了系統(tǒng)的有效性、完整性和精度。利用DR航跡推算系統(tǒng)能保證衛(wèi)星信號(hào)丟失時(shí)車輛位置信息輸出，還能利用地圖匹配技術(shù)來(lái)進(jìn)一步地提高導(dǎo)航的精度。此系統(tǒng)具有全方位、全天候、無(wú)遮擋、高精度的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。