基于GPS-DR緊組合車載導(dǎo)航系統(tǒng)研究及實(shí)現(xiàn).pdf

1、車載智能導(dǎo)航系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)(Intelligence Transportation System,ITS)的重要組成部分,在提高現(xiàn)代交通系統(tǒng)的運(yùn)行能力和改善交通狀況中起到不可替代的作用。然而,傳統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)大多基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)實(shí)現(xiàn),針對(duì)傳統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)在都市復(fù)雜環(huán)境下所表現(xiàn)出的導(dǎo)航質(zhì)量難以滿足人們對(duì)導(dǎo)航性能更高的要求,針對(duì)目前車載導(dǎo)航系統(tǒng)在導(dǎo)航精度和可靠性方面所存在的

2、問(wèn)題,本文提出了GPS與航位推算(Dead Reckoning,DR)緊組合導(dǎo)航算法以提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、連續(xù)性和完好性等性能。為滿足用戶對(duì)導(dǎo)航服務(wù)直觀性的需求,本文采用地圖為載體對(duì)導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行顯示,同時(shí)采用空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),并基于該地圖數(shù)據(jù),綜合考慮行車過(guò)程中的速度、航向、位置等信息,設(shè)計(jì)了多信息源的地圖匹配(Map Matching,MM)算法。此外,為滿足高要求車輛對(duì)導(dǎo)航可靠性的要求,提出了基于GPS/DR/MM

3、的增強(qiáng)型接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法,并對(duì)GPS觀測(cè)量以及地圖匹配信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.GPS/DR緊組合導(dǎo)航算法研究。
　　首先分析基于GPS偽距單點(diǎn)定位模型及影響定位精度的誤差源,然后引入DR觀測(cè)信息。針對(duì)單獨(dú)使用GPS定位和GPS/DR松組合導(dǎo)航系統(tǒng)難以滿足現(xiàn)代車載導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)定位精度的需求問(wèn)題,考慮到GPS/DR觀測(cè)方程的非線性特性,建立了基于時(shí)間域的離散化的量測(cè)方程,并通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼

4、濾波(Extented Kalman Filter,EKF)算法實(shí)現(xiàn)GPS和DR原始觀測(cè)信息的融合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)GPS/DR緊組合導(dǎo)航。
　　2.電子地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)研究。
　　為減小地圖數(shù)據(jù)占用的物理存儲(chǔ)空間,本文設(shè)計(jì)了一種以二進(jìn)制數(shù)據(jù)基于空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電子地圖數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)方式,文件中同時(shí)存儲(chǔ)了電子地圖數(shù)據(jù)及其屬性信息。以不損失電子地圖數(shù)據(jù)精度為前提,提出矢量地圖與柵格化地圖相結(jié)合的以整型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電子地圖數(shù)據(jù)新方法。采用本文設(shè)

5、計(jì)的電子地圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以有效的提高地圖調(diào)用效率,并能夠大大縮小電子地圖數(shù)據(jù)占用的物理存儲(chǔ)空間?？紤]到GPS和DR觀測(cè)量所采用的坐標(biāo)系不同以及經(jīng)緯度坐標(biāo)表征距離十分不方便,本文提出了“六參數(shù)”法快速坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型,針對(duì)本文應(yīng)用于陸地車載導(dǎo)航的環(huán)境,提出了地心地固(Earth-centered,Earth-fixed,ECEF)坐標(biāo)系下經(jīng)緯度坐標(biāo)到本地平面坐標(biāo)系的快速轉(zhuǎn)換方法,將電子地圖信息與定位結(jié)果采用相同的參數(shù)計(jì)算其平面坐標(biāo),為后續(xù)地圖

6、匹配做準(zhǔn)備。
　　3.地圖匹配算法研究。
　　利用存儲(chǔ)的電子地圖數(shù)據(jù)以及組合導(dǎo)航定位結(jié)果,提出“矩形窗”算法實(shí)現(xiàn)備選路徑的搜索。然后,綜合考慮汽車行駛速度、汽車行駛方向、定位點(diǎn)到備選路徑的距離以及道路的可連接性等屬性特征和定位特征,設(shè)計(jì)基于點(diǎn)到線幾何匹配方式的地圖匹配算法。
　　4.GPS/DR/MM增強(qiáng)型接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法研究。
　　通過(guò)EKF實(shí)現(xiàn)GPS/DR/MM觀測(cè)量的信息融合,采用EKF算法執(zhí)行過(guò)程

7、中產(chǎn)生的新息變量,依據(jù)設(shè)定的誤警率和漏檢率,實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)(enhanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,eRAIM)算法。通過(guò)eRAIM監(jiān)測(cè)來(lái)自于GPS衛(wèi)星信號(hào)故障以及地圖誤匹配等故障,當(dāng)發(fā)生故障時(shí),能及時(shí)向用戶發(fā)出告警信號(hào)。
　　5.基于ARM的車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
　　以ARM為控制核心搭建導(dǎo)航系統(tǒng)硬件平臺(tái),在該平臺(tái)上完成導(dǎo)航解算、地圖匹配以及完好

8、性監(jiān)測(cè)等算法。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)基于Linux系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)軟件,通過(guò)串口分別采集來(lái)自GPS和DR模塊的原始觀測(cè)信息完成上述算法,最后以觸摸式液晶屏為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端顯示,以直觀的界面為用戶提供導(dǎo)航服務(wù)。由于終端顯示采用觸摸式液晶屏,同時(shí)擔(dān)任了用戶與導(dǎo)航系統(tǒng)的交互平臺(tái),用戶可根據(jù)自身需求,設(shè)定導(dǎo)航模式,顯示并保存所需導(dǎo)航信息。
　　本文通過(guò)實(shí)地跑車實(shí)驗(yàn)收集數(shù)據(jù)驗(yàn)證以上算法的可行性和有效性。通過(guò)對(duì)比GPS/DR緊組合、松組合以

9、及單獨(dú)使用GPS定位所獲得的定位精度性能發(fā)現(xiàn):與GPS導(dǎo)航單點(diǎn)定位相比,松組合和緊組合分別能夠提高50.8％和68.3%的定位精度。說(shuō)明在相同條件下,組合導(dǎo)航能夠獲得優(yōu)于單獨(dú)GPS導(dǎo)航取得的定位精度,同時(shí)說(shuō)明緊組合作為一種更深層次的組合方式,具有較高的定位精度,可以作為都市環(huán)境下車載導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)備選算法。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的GPS/DR/MM“串行”RAIM算法發(fā)現(xiàn),該算法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航過(guò)程中可能出現(xiàn)的GPS衛(wèi)星信號(hào)故障以及地圖誤匹配故障