引 言
GPS (全球定位系統) 是美國第二代無線電衛(wèi)星導航定位系統, 它能夠全球性、全天候、實時地提供導航、定位和授時信息, 但它要求對衛(wèi)星有直接的可見性才能發(fā)揮其正常功能。鑒于山城重慶自身的交通環(huán)境特點: 在遇到城市高層建筑物、林蔭道、立交橋及涵洞隧道等時, GPS 接收機所收到的導航衛(wèi)星的信號質量會明顯地下降, 甚至干脆出現“丟星現象”。這使得單獨使用GPS 來導航定位不能夠連續(xù)地為運動車輛提供導航定位信息。因此采用了組合定位技術解決上述問題,下面具體分析。
航位推算(DR,Dead-Reckoning) 是一種常用的導航定位技術, 其基本原理是利用方向傳感器和速度傳感器來推算車輛的瞬時位置, 可以實現連續(xù)自主式定位。但由于其推算過程是一個累加過程, 方向傳感器的誤差隨時間的延長而積累另外, 推算只能確定相對位置和航向。導航開始時, 需要預知車輛的初始絕對位置和方向, 因此, 航位推算方法并不能單獨、長時間地使用。將航位推算與GPS 組合起來, 兩者取長補短, 可以彌補各自的缺點, 確保系統能在任何時候都能為運動車輛提供較為準確的導航信息。一方面可以利用GPS精確的定位結果輔助DR 的初始化并且可以定期地用它對DR 的定位誤差進行在線校正另一方面, 在GPS無法定位時系統又可以自動地切換到DR 導航方式,直至GPS 恢復正常接收后, 系統再回到GPS 與DR 的組合導航方式。與此同時, 再實時地對組合導航系統的輸出信息與電子地圖進行匹配, 便可以將導航輸出信息可視化, 解決了司機定向難的問題。
車載GPS/DR 組合導航系統的組成
車載GPS/DR 組合導航儀由3 部分組成: GPS 定位系統部分航位推算部分地圖匹配部分。圖1 為車載GPS/DR 組合導航儀的原理圖。
全球定位系統
全球定位系統由GPS-OEM 主板、數據轉換板、天線及電源等組成。
目前, 有很多廠商都能提供GPS-OEM 板產品, 如SiRF、Conexant、Sych ip、GARM IN 等公司。其中美國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、導航領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。
數據轉換板與GPS-OEM 板連結, 其作用是接收GPS 主板的原始數據、提取需要的數據并將其轉換為與用戶機所需的數據格式, 通過串口發(fā)送給用戶機。
航位推算系統
航位推算系統由角速率陀螺、里程計、低通濾波器、V/F 轉換器、電平轉換器、計數器、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。
航位推算方法是一種常用的自主式車輛定位技術, 其中航向和距離傳感器被用來測量位移矢量, 從而推算車輛的位置。車輛在tk 時刻的位置可表示為:
其中, (x0, y0) 是車輛在t0時刻的初始位置, (xk , yk) 為車輛在tk 時刻的位置Si,θi分別是車輛從ti 時刻的位置(xi, yi) 到ti+ 1時刻的位置(xi+1, yi+1) 的位移矢量的長度和絕對航向。相對航向定義為連續(xù)兩個絕對航向之差, 用Xi表示。若給出了t0、t1、tk時刻的相對航向測量值Xi, 則tk時刻的車輛絕對航向θk 可由下式計算:
地圖匹配
地圖匹配算法采用概率決定的方法。系統必須知道起始點的位置和航向角。通常用速率陀螺儀給出的航向變化與車輛預期位置附近的地圖特征進行相關性比較, 當測量出的車輛航向的顯著變化與數字地圖的矢量路線變化相關, 那么車輛的真實位置可以在地圖上確定。根據車輛的具體位置可校正傳感器的漂移誤差, 同時對車輪直徑誤差等誤差進行標定。相關性地圖匹配算法在車輛行駛航向有比較大的改變時(例如車輛在十字路口拐彎時) 效果最好。
試驗結果
為了驗證系統的定位精度、可靠性, 對比GPS 系統與GPS/DR 組合系統的性能, 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, 進行跑車試驗。所得試驗結果表明當單獨GPS 定位時,所得定位軌跡是不連續(xù)的, 并且有“上房現象”。而采用GPS/DR 進行組合后, 其定位軌跡連續(xù), 且始終行駛在正確的道路上。
結 論
GPS/DR 組合車輛定位導航系統將GPS 與DR相結合, 提高了系統的有效性、完整性和精度。利用DR 航跡推算系統能保證衛(wèi)星信號丟失時車輛位置信息輸出, 還能利用地圖匹配技術來進一步提高精度。系統具有全方位、全天候、無遮擋、高精度的特點, 具有良好的應用前景。
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