组合导航研究现状及发展趋势展望

上分析可知 ： 保证推算精度的关键 因素是要求实时 检测修正 Ｄ 系统的各个传感器 ， Ｒ 有效 的剔除观测 “ 野值”才能得到可靠 的导航结果 。 ， 惯性导航系统 （ ） Ｉ 是一种完全 自主的导航系 ＮＳ 统， 具有不依赖外界信息 、 隐蔽 性好 、 抗辐射性强 、
地图匹配算法 ， 该方法就能提供精确 的车辆定位导 航应用。 对于轻小型 载体导航 与制导系统来 说 ， Ｐ ／ Ｇ Ｓ ＩＳ Ｎ 也是一种有效的组合方式。 微型惯性导航系统 （ Ｎ 与传统惯性导航 系统相 比具有体积小、 ＭＩ Ｓ） 重 量轻 、 成本低 、 功耗低 、 可靠性高和寿命长等优势 ， 为低成本导航与制 导提供 了一个非常有吸引力的 方案 。 其他组合方式如 Ｇ Ｓ Ｐ 和磁敏传感器测方位角
目前数据融合方面的研究大多集中在卡尔曼
必须对这些误差加以校正 ， 以提高导航精度。 ３ ａＰ／ ｓＤＲ 眙 采用 Ｇ ＳＤ Ｐ ／ Ｒ组合定位可获得较高的定位精 度和可靠性 。实现 Ｇ ＳＤＲ组合 的核心问题是数 Ｐ／
滤波的 Ｇ Ｓ Ｄ Ｐ／ Ｒ松组合的滤波方法上。 基本的方
法是 利用 卡尔 曼滤 波去 估计 系 统 的各种状 态 ， 用 并
全天候等优点， 且能提供多种导航参数。但它的定 位误差也随时间而积累 ， 长时间工作后会产生大 的 误差 ， 使得惯性导航系统不宜作远距离导航 。根据 Ｉ 和Ｇ Ｓ ＮＳ Ｐ 的导航功能互补 的特点 ，可以用适 当 的方法将两者组合起来 以提高系统 的整体导航精 组合、 Ｐ 和方向盘电阻传感器测角组合等 ，效果 ＧＳ 度及导航性能。 Ｐ 接收机在惯导位置和速度信息 并不理想 。 ＧＳ 的辅助下， 也将改善捕获 、 跟踪和再捕获 的能力 ， 并 除 了以上方法还有一个研究方 向就是多传感 在卫星分布条件差或可见 星少的情况下 导航精度 器的信息融合组合 ，尽量采集多种传感器信息， 进 不致下降过大。由于优点显著 ， Ｐ ／ 组合系统 行信息融合 ， Ｇ ＳＩ ＮＳ 以最优 的结果提供定位 ， 其关键技术 被一致认为是飞行载体最理想的组合导航系统 是信息融合算法。基于单 片机的由磁罗盘、 １ 。 速率陀 而由于此类惯性设备价格的因素 ， 使其很难在普通 螺和里程仪组成的新型 Ｄ ， ＲＳ并采用 Ｇ ＳＤ Ｓ Ｐ ／ Ｒ 多 车辆 上使 用 。 级滤波组合方式以及地 图匹配方法可提高系统 的
采集位移信号 ， 这需要改动汽车电气线路 ， 并且汽 车型号不一样里程计感应元件的参数也不一样 ， 安 并且导航精度受里程计的精度限制。 罗盘测量的航 向信息指示是磁北方向 ， 但是地 装不方便 ， 现今 中高档车普遍采 用 了 Ａ Ｓ Ｂ 制动系统 ， 如 磁场的北方向和地理北方 向在各个地方均不相同。 Ｂ 测距） ， 则共有多达四组共 另外 ， 车内空调 、 多媒体 等设备产生 的磁场也会影 果用 Ａ Ｓ中的车轮测速（ 响其测量精度 。当车辆经过 电力线、 钢铁结构建 七个传感器参与定位导航 。 通过数据融合处理得到 筑物 时 ， 界 强磁 场会 引 起 罗盘 在 短 时 间 内测量 误 定位导航所需的位置 、 外 速度和航 向等信息。这种组 差的突然增大 ， 因此必须借助历史信息或者其他外 合导航通过传感器数据融合处理 ， 增加了系统 的信 界有效 的独立观测量 （ Ｇ Ｓ 向） 如 Ｐ航 实时检’ 并修 息冗余度 ， 狈 ０ 实现局部 系统之间 的优势互补 ， 从而获 正 罗盘 的测量 值 。 得 比任何单一系统更优的综合性能。 特别是多传感 里程计也存在需要实时修正的问题 ， 当车辆在 器的组合实现 了导航 的容错设计 ， 系统精度和可 使 加入 Ａ Ｓ Ｂ 传感器 的信息 ， 显著地提高了 雪、 冰的路面上行驶、 急拐弯时易造成车轮打滑 ， 并 靠性更高 。 且轮 胎压 力 的不 同也 会 引起 轮子 直 径 的变化 。 由以 系统的定位精度 。只要结合精确 的数字地图， 配合 图１ 陀螺仪倾角修正示意 图
【 关键词】 Ｐ／ Ｒ组合； 定位； Ｇ ＳＤ 导航 研究现状； 发展趋势
考虑到技术及经济成本 和我 国的基础设施建 随着经济的飞速发展 ， 机动车的拥有量快速增 设不完善等因素 ， 际中常采用 Ｇ ＳＤ ／ 实 Ｐ ／ Ｒ ＭＭ 组 长。但道路的增长相对滞后 ， 为避免造成交通拥堵 合导航定位 。 Ｒ技术是一种不使用通信设备的完 Ｄ 和环境恶化 ， 大力发展智 能交通 系统 （ Ｓ 已成为 全 自主式定位技术 ， Ｉ ） Ｔ 常常 由里程计 （ ｏ ｔ ）陀 ｏ ｍｅ ｒ 、 ｄ ｅ 解决交通问题 的唯一行之有效的出路 。ＩＳ １ Ｔ 技术 螺仪 （ ｒ 、电子罗 盘 （ ｍ ａ） ｇ ｏ） ｙ ｃ ｐｓ、加速度计 （ － ｏ ｓ ａ ｃ 可利用全球定位系统 （ Ｐ ） Ｇ Ｓ作为车辆定位技术 ， 借 ｃ ｅ ｍ ｔ） ｅｒ ｅｒ ｌ ｏ ｅ 等几种传感器组成 。 对于行驶在二维平 助 电子地 图等手段 ， 活选择最佳路径 ， 灵 保证城市 面空间的车辆 ， 假如起始位置和当前时刻以前 的所 道路系统负荷的均匀性 ， 改善交通状况。 但是 ， 城市 有位移和航 向信息是 己知的 ， 通过测量和记录任一 ＧＳ Ｐ 车辆定位所受到的制约因素较多 ，如建筑物 、 时刻车辆的位移量和移动方向， 可计算 出任一时刻 公路隧道、 沿街道旁的树木遮盖 、 水塔、 广播塔等都 车辆 的位置。在短时间内能够保持较高的精度 ， 且 能造成 Ｇ Ｓ信号阻塞 和衰减 。如城 市单独使 用 其有效性不受外界影响 ， Ｐ 但该方法仅能确定相对位 置 ， 存 在累计 误差 。 且 ＧＳ Ｐ 定位系统 ， 其定位精度无法得到保障 ， 以必 所 须采用辅助手段来弥补单一 Ｇ Ｓ Ｐ 定位 的不足。目 陀螺仪是一种相对传感器 ， 测量的是角速度信 前， 人们主要采用其他导航系统来辅助卫星导航系 息 ， 累积能够得到航向信息。陀螺仪用来测量方位 统形成的组合导航来解决这些 问题 。 主要受随机误差和系统误差影响。 随机误差主要包 １ Ｐ 导航定． 的补偿方法 Ｇ ｓ 位 括电子噪声 、 机械噪声 、 温度和电源电压波动及 Ａ ／ 为了满足导航定位对精度 和连续性的要求 ， 人 Ｄ变换损失 ， 它主要通过建立动态模型来减弱。系 们采用辅助手段来补偿 Ｇ Ｓ Ｐ 定位的缺 ２ Ｇ Ｓ 统误差包含标定 因子误差 、 １ Ｐ 。 零速率漂移（ 零值偏差） 车辆导航定位要解决的主要 问题就是 寻求有效 的 和陀螺仪安置引入 的误差 ， 其标定因子误差和零速 检测 Ｇ Ｓ Ｐ 定位误差（ 多是因为多路径效应引起的） 率漂移会导致累积的航 向信息随着 时间增长误差 ， 并且在 Ｇ Ｓ Ｐ 不能定位时 自动转换为其他具有故障 越来越大。由于安放陀螺仪时的缺陷 ， 而导致其水 检测和剔除能力的导航方法 ，以实现车辆连续 、 高 平航向输出会包含车辆横滚和俯仰角的分量 ， 进而 精度的导航定位。 引起航 向测定误差 ，此误差可通过初始标定来消 已经采用 的补 偿手段有 航位推算 Ｄ （ｅｄ 除。 Ｒ Ｄ ａ 安置时还会引起陀螺仪转动敏感轴不与坐标计 Ｒｅｋｎ， ｃｏ）惯性导航 ＩＵ （ｎ ｒａＮ ｖ ａｏ ｎｔ 算平面垂直 ， Ｎ Ｉｅ ｉ ａｉ ｔ ｎＵ ｉ， ｔｌ ｇｉ ） 因而引入误差。 假设敏感轴不垂直 ， 必
教 学及科研 工作 。
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为 ８ ｏ ｃｓ。如 图 １ ＝ ｒ ｏ０ ￣ 所示 。
方面的因素 ， 这种组合定 位模式尤其适用于民用车 载动态定位 。其误差主要来源于距离累积误差， 大 约是其行驶距离 的 ２ ５ 该误差可通过 Ｇ Ｓ 出 ～ ％， Ｐ输 的绝对数据或匹配方法加 以消除， 在行驶 中当无法 通 过 Ｇ Ｓ接 收机 来 提 供 车辆 位 置 时 ，可 以 由陀螺 Ｐ 仪和里程表提供的信息用航位推测法， 以路网数 并 据作为约束对汽车进行定位。但是 ， 这种车载组合 导航系统也有 自己的局限， 主要反映在它用里程计
２ ｔ 的主要组合ｌ式 Ｄ ｋ 力 定位 精度 。 目 ， 前 汽车定位导航研究采用最普遍 的方法是 从上面的分 析我们可以知道 ， Ｒ导航原理非 Ｄ ＧＳ Ｐ 接收机绝对定位 ， 辅之 以里程计及ｉ 向陀螺作 常简单 ， 见 ０ 但易受到各种误差的影响而难于得到较高 航位推算（ ｅｄＲ ｃｏ ｉ ） Ｄ ａ ｅｋ ｎ ｇ的相对定位 。这种 Ｄ 的精度 ， ｎ Ｒ 而且运行时周 围环境 附加磁场和里程传感
２１ ０２年第 １２ ￣ 期
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达州职业技 术学院学报
机电与信息技术
组合 导航 研 究 观 状 及 爱 屣遛 夔 展 望
李 东 （ 州职 业技 术 学院 ，四川 达 州 ６ ５０ ） 达 ３０１
【 要】 Ｐ 定位 系统在城市使 用时由于 Ｇ Ｓ 摘 ＧＳ Ｐ 信号阻塞和衰减而 引起较大的定位误 差， 无法实现车 辆连续、 高精度的导航定位 。所 以必须采 用辅助手段来弥补单独 Ｇ Ｓ定位的不足 ， Ｐ 采用 Ｇ ＳＤ Ｐ ／ Ｒ组合定 位 可获得较 高的定位精度和可靠性。本文探讨了 Ｇ ＳＤ Ｐ／ Ｒ组合导航研究现状及发展趋势。
状态的估计值去校正系统 ，以达到系统组合 的 目 的 ， 图 ２所示 。 如
Hale Waihona Puke Baidu
据融合方案的设计 ， 即采用何种方法来融合两种定 位系统的信息以获得最优 的组合定位结果。 在车辆 定位 中常用 的有两种组合方案 ： 切换式组合和卡尔 曼 滤波 。
切换式组合方案有两种工作状态 ， Ｐ 模式与 ＧＳ Ｄ Ｒ模式。 该组合导航系统切时工作在何种模式取 决于当时 Ｇ Ｓ Ｐ 信号的有效性。 Ｇ Ｓ 当 Ｐ 卫星数多、 卫 星几何分布结构好时 ， 系统工作 于 Ｇ Ｓ Ｐ 模式 ， 同时 图 ２卡尔曼滤波实现组合导航示意图 提供 Ｄ 系统的初始推算位置 。一旦 Ｇ Ｓ Ｒ Ｐ 定位数 利用卡尔曼滤波实现多个传感器 的信息融合 据失效或 Ｇ Ｏ Ｄ Ｐ增加 到预定 门限时 ，则 切换 至 Ｄ Ｒ模式。 该方法的优点是简单易行 、 计算量小， 可 有两种途 ： 一种是标准 的集 中式卡尔曼滤波 ， 另一 解决在卫星信号失效时短时间的定位。 另一方面 ， 种是分散式卡尔曼滤波 。在集中式结构中， 传感器 探测报告直接送到融合 中心处理 ，即完成点迹融 Ｄ Ｒ所需的初始 位置 由前一 时刻有效的 Ｇ Ｓ Ｐ 数据 集中式结构的优点是极小化信息损失 ， 精度高 ， 提供 ， 这使得 Ｇ Ｓ Ｐ 的数据误差被直接传播到 了 Ｄ 合。 Ｒ
定位系统 主要 由陀螺仪和里程表组成 ，具有体积 器刻度因子等引起 的误差具有较强的随机性 ， 很难 小、 成本低、 精度适 中等优点 ， 考虑到精度和价格两 建立数学模型， 并且校准后的残差也会随着时间产
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生积 累 ， 一定 时 间后会 产 生较 大 的系 统 误差 。 因此
０ 前 言
无 线 电信标 Ｒ （ａ ｉ Ｂ ａｏ） Ｂ Ｒ ｄ ｅｃｎ，地 图匹配 ＭＭ 须将其测量值投影到垂直上来。 ｏ 这就需要在车辆上 （ ｐ Ｍａ ｈ ｇ，差 分 Ｇ Ｓ （Ｇ Ｓ ，ｉｅ ｎ ａ 安装倾斜测量仪来获得这一参数 。 Ｍａ ｔ ｉ ） ｃｎ Ｐ Ｄ Ｐ ｄ ｒ ｔｌ ｆ ｅ ｉ 设陀螺仪测量角 Ｇ Ｓ， Ｐ） 高精度的载波相位接收机等。 度为 ０ 倾斜参数为 ０则车辆实际行驶方向应修正 Ｌ ， ， 作者简介 ： 李东（９ １ ） 男， １ 州， １７一 ， ９）达 】 达职院机 电系副教授 ， 主要从事 电子信息工程 的理论和实践