《智能网联汽车改装与测试技术》定位导航设备的安装与调试
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智能网联汽车改装与测试技术
1 定位导航设备的工作原理
（3）GPS和惯性传感器融合原理
GPS是当前行车定位和无人驾驶中至关重要的技 术，包括32颗卫星、主控站、数据注入站和监测站等 组成。
惯性传感器（IMU）是能检测加速度和旋转运动 的传感器，基础型号包括加速度计和角速度计，而六轴 惯性传感器则由三轴加速度计和三轴陀螺仪构成。
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定位导航设备的 安装与调试
智能网联汽车改装与测试技术
1 定位导航设备的工作原理
（1）全球导航卫星系统定位原理
• GNSS定位系统利用卫星的三角定位原理和测量无线 电信号传输时间来计算接收器的位置。
• 通过计算三个卫星的几何数据，并融合同步计算结 果，确定接收器的卫星坐标位置。
GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了曝光点时刻的地理位置（纬度、经度、高程）。IMU数据主要包 含了：航向角（heading）、俯仰角（tilt）及翻滚角（roll）三个数据。
俯仰角定义：右手大拇指指向车辆坐标系X轴正方向，其余四根手指可以摆动角度称为俯仰角；
俯仰角计算： =arctanz / y
GPS提供相对精准的定位，但更新频率较低，无 法满足实时计算需求。惯性传感器在短时间内能提供稳 定的实时位置更新，但定位误差会随时间增长。
为了充分利用两种传感器的优点，我们需要寻找 一种方法将它们进行融合，以实现更实时和精准的定位。
智能网联汽车改装与测试技术
1 定位导航设备的工作原理
（3）GPS和惯性传感器融合原理
捷联式惯性导航系统，其惯性测量装置 （加速度计和陀螺仪）直接装在飞行器、舰艇、 导弹等载体上，载体转动时，加速度计和陀螺 仪的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体 角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计 敏感轴指向。再通过坐标变换，将加速度计输 出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。
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坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
优点：
（1）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航 信息连续性好而且噪声低。 （2）数据更新率高、短期精度和稳定性好。 （3）可全天候地工作于空中、地面乃至水下。 （4）隐蔽性好，且不受外界电磁干扰的影响。
但是，由于其导航信息经过积分而产生，定位误差随着时间增加而增 大，长期精度差，容易产生温漂、零漂等问题。
2 惯性测量单元的种类
（1）按测量精度进行分类
按照精度分可以为两类： 第一类是基于光纤陀螺（FOG）的IMU，它的特点是精度高，但同时成本也高，一般应用于精度要求较 高的地图采集车辆。 第二类是基于微机电系统（MEMS）器件的IMU，它的特点是体积小，成本低，环境适应性强，但缺点 是误差大。
捷联惯性导航（SINS）解算 （1）通过陀螺输出的角速度信息积分得到姿态信息 （2）通过姿态信息对加速度计输出的比力进行转换，由载体坐标系得到导航坐标系 （3）进行重力计算，有害加速度、地球自转角速度等补偿计算 （4）由加速度信息积分得到速度与位置
（2）惯性导航系统定位原理
工作原理：
• 陀螺仪测量物体的角速率，用于计算载体
的姿态。 • 加速度计测量物体的线加速度，用于计算
载体的速度和位置。 • 根据牛顿力学定律，将测量值对时间进行
积分，得到载体的速度和角速度。 • 再次对速度和角速度进行积分，得到载体
的位置。 • 将位置信息转换到导航坐标系，得到在该
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2 惯性测量单元的种类
（2）按力学编排实现形式进行分类
根据惯性导航系统的力学编排实现形式又可以分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。
平台式惯性导航系统
捷联式惯性导航系统
平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度 等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运 动载物固联的惯性导航系统。其惯性测量装臵 (加速度计和陀螺仪)安装在机电导航平台上，以 平台坐标系为基准，测量运载体运动参数。平 台式惯性导航系统通过框架伺服系统隔离了载 体的角运动，因此可以获得较高的系统精度。
翻滚角定义：右手大拇指指向车辆坐标系Y轴正方向，其余四 根手指可以摆动角度称为俯仰角，逆时针为正，顺时针为负；
翻滚角计算： =arctanz / x
航向角定义：右手大拇指指向车辆坐标系Z轴正方向，其余四 根手指可以摆动角度称为俯仰角，逆时针为正，顺时针为负；
航向角计算： =arctanx / y
智能网联汽车改装与测试技术
• 实时动态载波相位差分技术（RTK）是智能网联汽车 公司采用的一种差分GPS技术。
• RTK通过处理两个基站载波相位观测量的差分，提高 定位精度，达到厘米级精度。
• RTK存在一些问题，如高基站铺设成本、受遮挡影响 和电磁干扰等。
差分GPS工作示意图
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1 定位导航设备的工作原理
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智能网联汽车改装与测试技术
• 实际应用中，卫星信号传播受到大气电离层、遮挡、 反射折射和多路径干扰等因素的影响。
三角定位原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
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1 定位导航设备的工作原理
（1）全球导航卫星系统定位原理
• 差分GPS（DGPS）技术用于降低天气、云层等因素 对GPS信号的影响。
• DGPS技术分为位置差分和距离差分，距离差分包括 伪距差分和载波相位差分。
1 定位导航设备的工作原理
（3）GPS和惯性传感器融合原理
GPS是当前行车定位和无人驾驶中至关重要的技 术，包括32颗卫星、主控站、数据注入站和监测站等 组成。
惯性传感器（IMU）是能检测加速度和旋转运动 的传感器，基础型号包括加速度计和角速度计，而六轴 惯性传感器则由三轴加速度计和三轴陀螺仪构成。
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定位导航设备的 安装与调试
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1 定位导航设备的工作原理
（1）全球导航卫星系统定位原理
• GNSS定位系统利用卫星的三角定位原理和测量无线 电信号传输时间来计算接收器的位置。
• 通过计算三个卫星的几何数据，并融合同步计算结 果，确定接收器的卫星坐标位置。
GPS数据一般用X、Y、Z表示，代表了曝光点时刻的地理位置（纬度、经度、高程）。IMU数据主要包 含了：航向角（heading）、俯仰角（tilt）及翻滚角（roll）三个数据。
俯仰角定义：右手大拇指指向车辆坐标系X轴正方向，其余四根手指可以摆动角度称为俯仰角；
俯仰角计算： =arctanz / y
GPS提供相对精准的定位，但更新频率较低，无 法满足实时计算需求。惯性传感器在短时间内能提供稳 定的实时位置更新，但定位误差会随时间增长。
为了充分利用两种传感器的优点，我们需要寻找 一种方法将它们进行融合，以实现更实时和精准的定位。
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1 定位导航设备的工作原理
（3）GPS和惯性传感器融合原理
捷联式惯性导航系统，其惯性测量装置 （加速度计和陀螺仪）直接装在飞行器、舰艇、 导弹等载体上，载体转动时，加速度计和陀螺 仪的敏感轴指向也跟随转动。陀螺仪测量载体 角运动，计算载体姿态角，从而确定加速度计 敏感轴指向。再通过坐标变换，将加速度计输 出的信号变换到导航坐标系上，进行导航计算。
智能网联汽车改装与测试技术
坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
优点：
（1）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航 信息连续性好而且噪声低。 （2）数据更新率高、短期精度和稳定性好。 （3）可全天候地工作于空中、地面乃至水下。 （4）隐蔽性好，且不受外界电磁干扰的影响。
但是，由于其导航信息经过积分而产生，定位误差随着时间增加而增 大，长期精度差，容易产生温漂、零漂等问题。
2 惯性测量单元的种类
（1）按测量精度进行分类
按照精度分可以为两类： 第一类是基于光纤陀螺（FOG）的IMU，它的特点是精度高，但同时成本也高，一般应用于精度要求较 高的地图采集车辆。 第二类是基于微机电系统（MEMS）器件的IMU，它的特点是体积小，成本低，环境适应性强，但缺点 是误差大。
捷联惯性导航（SINS）解算 （1）通过陀螺输出的角速度信息积分得到姿态信息 （2）通过姿态信息对加速度计输出的比力进行转换，由载体坐标系得到导航坐标系 （3）进行重力计算，有害加速度、地球自转角速度等补偿计算 （4）由加速度信息积分得到速度与位置
（2）惯性导航系统定位原理
工作原理：
• 陀螺仪测量物体的角速率，用于计算载体
的姿态。 • 加速度计测量物体的线加速度，用于计算
载体的速度和位置。 • 根据牛顿力学定律，将测量值对时间进行
积分，得到载体的速度和角速度。 • 再次对速度和角速度进行积分，得到载体
的位置。 • 将位置信息转换到导航坐标系，得到在该
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2 惯性测量单元的种类
（2）按力学编排实现形式进行分类
根据惯性导航系统的力学编排实现形式又可以分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。
平台式惯性导航系统
捷联式惯性导航系统
平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加速度 等惯性元件通过万向支架角运动隔离系统与运 动载物固联的惯性导航系统。其惯性测量装臵 (加速度计和陀螺仪)安装在机电导航平台上，以 平台坐标系为基准，测量运载体运动参数。平 台式惯性导航系统通过框架伺服系统隔离了载 体的角运动，因此可以获得较高的系统精度。
翻滚角定义：右手大拇指指向车辆坐标系Y轴正方向，其余四 根手指可以摆动角度称为俯仰角，逆时针为正，顺时针为负；
翻滚角计算： =arctanz / x
航向角定义：右手大拇指指向车辆坐标系Z轴正方向，其余四 根手指可以摆动角度称为俯仰角，逆时针为正，顺时针为负；
航向角计算： =arctanx / y
智能网联汽车改装与测试技术
• 实时动态载波相位差分技术（RTK）是智能网联汽车 公司采用的一种差分GPS技术。
• RTK通过处理两个基站载波相位观测量的差分，提高 定位精度，达到厘米级精度。
• RTK存在一些问题，如高基站铺设成本、受遮挡影响 和电磁干扰等。
差分GPS工作示意图
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1 定位导航设备的工作原理
ICV Intelligent & Connected Vehicle
谢谢观看
智能网联汽车改装与测试技术
• 实际应用中，卫星信号传播受到大气电离层、遮挡、 反射折射和多路径干扰等因素的影响。
三角定位原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
智能网联汽车改装与测试技术
1 定位导航设备的工作原理
（1）全球导航卫星系统定位原理
• 差分GPS（DGPS）技术用于降低天气、云层等因素 对GPS信号的影响。
• DGPS技术分为位置差分和距离差分，距离差分包括 伪距差分和载波相位差分。