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

1、車載智能導航系統(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)車載導航系統(tǒng)大多基于全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)實現(xiàn),針對傳統(tǒng)車載導航系統(tǒng)在都市復雜環(huán)境下所表現(xiàn)出的導航質量難以滿足人們對導航性能更高的要求,針對目前車載導航系統(tǒng)在導航精度和可靠性方面所存在的

2、問題,本文提出了GPS與航位推算(Dead Reckoning,DR)緊組合導航算法以提高導航系統(tǒng)的精度、連續(xù)性和完好性等性能。為滿足用戶對導航服務直觀性的需求,本文采用地圖為載體對導航結果進行顯示,同時采用空間拓撲結構設計了地圖數(shù)據(jù)存儲結構,并基于該地圖數(shù)據(jù),綜合考慮行車過程中的速度、航向、位置等信息,設計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導航可靠性的要求,提出了基于GPS/DR/MM

3、的增強型接收機自主完好性監(jiān)測算法,并對GPS觀測量以及地圖匹配信息實時監(jiān)測。
　　論文的主要研究內容如下:
　　1.GPS/DR緊組合導航算法研究。
　　首先分析基于GPS偽距單點定位模型及影響定位精度的誤差源,然后引入DR觀測信息。針對單獨使用GPS定位和GPS/DR松組合導航系統(tǒng)難以滿足現(xiàn)代車載導航系統(tǒng)對定位精度的需求問題,考慮到GPS/DR觀測方程的非線性特性,建立了基于時間域的離散化的量測方程,并通過擴展卡爾曼

4、濾波(Extented Kalman Filter,EKF)算法實現(xiàn)GPS和DR原始觀測信息的融合,進而實現(xiàn)GPS/DR緊組合導航。
　　2.電子地圖數(shù)據(jù)存儲技術研究。
　　為減小地圖數(shù)據(jù)占用的物理存儲空間,本文設計了一種以二進制數(shù)據(jù)基于空間拓撲結構的電子地圖數(shù)據(jù)文件存儲方式,文件中同時存儲了電子地圖數(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合的以整型數(shù)據(jù)存儲電子地圖數(shù)據(jù)新方法。采用本文設

5、計的電子地圖數(shù)據(jù)結構,可以有效的提高地圖調用效率,并能夠大大縮小電子地圖數(shù)據(jù)占用的物理存儲空間。考慮到GPS和DR觀測量所采用的坐標系不同以及經(jīng)緯度坐標表征距離十分不方便,本文提出了“六參數(shù)”法快速坐標轉換模型,針對本文應用于陸地車載導航的環(huán)境,提出了地心地固(Earth-centered,Earth-fixed,ECEF)坐標系下經(jīng)緯度坐標到本地平面坐標系的快速轉換方法,將電子地圖信息與定位結果采用相同的參數(shù)計算其平面坐標,為后續(xù)地圖

6、匹配做準備。
　　3.地圖匹配算法研究。
　　利用存儲的電子地圖數(shù)據(jù)以及組合導航定位結果,提出“矩形窗”算法實現(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,設計基于點到線幾何匹配方式的地圖匹配算法。
　　4.GPS/DR/MM增強型接收機自主完好性監(jiān)測算法研究。
　　通過EKF實現(xiàn)GPS/DR/MM觀測量的信息融合,采用EKF算法執(zhí)行過程

7、中產生的新息變量,依據(jù)設定的誤警率和漏檢率,實現(xiàn)增強型接收機自主完好性監(jiān)測(enhanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,eRAIM)算法。通過eRAIM監(jiān)測來自于GPS衛(wèi)星信號故障以及地圖誤匹配等故障,當發(fā)生故障時,能及時向用戶發(fā)出告警信號。
　　5.基于ARM的車載導航系統(tǒng)設計實現(xiàn)。
　　以ARM為控制核心搭建導航系統(tǒng)硬件平臺,在該平臺上完成導航解算、地圖匹配以及完好

8、性監(jiān)測等算法。采用面向對象的設計思想,設計基于Linux系統(tǒng)的導航系統(tǒng)軟件,通過串口分別采集來自GPS和DR模塊的原始觀測信息完成上述算法,最后以觸摸式液晶屏為平臺實現(xiàn)終端顯示,以直觀的界面為用戶提供導航服務。由于終端顯示采用觸摸式液晶屏,同時擔任了用戶與導航系統(tǒng)的交互平臺,用戶可根據(jù)自身需求,設定導航模式,顯示并保存所需導航信息。
　　本文通過實地跑車實驗收集數(shù)據(jù)驗證以上算法的可行性和有效性。通過對比GPS/DR緊組合、松組合以

9、及單獨使用GPS定位所獲得的定位精度性能發(fā)現(xiàn):與GPS導航單點定位相比,松組合和緊組合分別能夠提高50.8％和68.3%的定位精度。說明在相同條件下,組合導航能夠獲得優(yōu)于單獨GPS導航取得的定位精度,同時說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)境下車載導航系統(tǒng)的一個備選算法。通過本文設計的GPS/DR/MM“串行”RAIM算法發(fā)現(xiàn),該算法能夠及時發(fā)現(xiàn)導航過程中可能出現(xiàn)的GPS衛(wèi)星信號故障以及地圖誤匹配故障