基于慣性導(dǎo)航+通信信號(hào)測(cè)角信息融合的車輛行進(jìn)間高精度定位方法

高軍軍 龍杰 劉琰 余躍 黃四牛

在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下,快速獲得車輛的高精度定位信息,對(duì)于提高其整體作戰(zhàn)性能十分重要.車輛上一般配備有多種導(dǎo)航系統(tǒng),主要包括衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng),可以獲得車輛的位置信息[1].

然而,在復(fù)雜電子對(duì)抗環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航鏈路很脆弱,容易受到外部干擾和欺騙,或者在山區(qū)等特殊地理環(huán)境下,阻擋易造成導(dǎo)航衛(wèi)星不可見[1?2].在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不可用的降級(jí)條件下,車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)若長(zhǎng)時(shí)間得不到精確信息進(jìn)行修正,則其輸出的位置將包含較大的時(shí)間積累誤差,以至不能滿足實(shí)際需求.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文利用可與車輛進(jìn)行雙向短距離通信的路邊單元進(jìn)行輔助,提出了一種基于車載慣性導(dǎo)航+通信信號(hào)測(cè)角信息融合的車輛行進(jìn)間高精度定位方法.車輛接收路邊單元發(fā)送的定位輔助信息,并對(duì)路邊單元發(fā)射的通信信號(hào)的角度特征量進(jìn)行測(cè)量,并利用相對(duì)幾何關(guān)系,解析得到車輛精確位置.定位場(chǎng)景如圖1所示.

圖1 車輛定位場(chǎng)景示意圖

1 系統(tǒng)功能與組成

1.1 車輛組成

車輛應(yīng)具備與路邊單元進(jìn)行雙向短距離通信的功能,并通過(guò)控制幀請(qǐng)求路邊單元發(fā)送定位輔助信息.同時(shí),車輛應(yīng)能夠?qū)β愤厗卧l(fā)射的通信信號(hào)的到達(dá)角度進(jìn)行測(cè)量.

車輛組成如圖2所示,主要包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、信息處理與控制單元、通信基帶信號(hào)處理單元、干涉測(cè)角單元、發(fā)射射頻通道、接收射頻通道、發(fā)射天線和接收天線.

1.2 路邊單元組成

路邊單元應(yīng)能夠在野外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、低功耗地自主待機(jī)工作,并支持被車輛喚醒.同時(shí),可作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和中繼節(jié)點(diǎn),使車輛通過(guò)路邊單元與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互.

路邊單元用于輔助車輛進(jìn)行定位,其組成如圖3所示,主要包括內(nèi)置天線、喚醒模塊、發(fā)射射頻通道、接收射頻通道、信號(hào)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電源模塊和外部接口單元.

2 定位原理

車輛通過(guò)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)喚醒路邊單元開始工作.在圖1中,當(dāng)車輛行駛到A1點(diǎn)時(shí),車載干涉測(cè)角單元估計(jì)得到路邊單元發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)的到達(dá)角度θ1;當(dāng)發(fā)射車行駛到A2點(diǎn)時(shí),同理測(cè)量得到無(wú)線電信號(hào)的到達(dá)角度θ2.

同時(shí),車載的信息處理與控制單元基于慣性導(dǎo)航信息計(jì)算得到兩次測(cè)角點(diǎn)之間的直線距離S.

在得到兩次測(cè)角點(diǎn)的角度信息θ1和θ2、車輛行駛直線距離S基礎(chǔ)上.利用圖1中所示的幾何關(guān)系,可得到車輛在A2點(diǎn)時(shí)與路邊單元之間的距離值計(jì)算公式如下

其中α=θ2?θ1,為從路邊單元觀測(cè)到的兩次測(cè)角點(diǎn)的張角.

由于路邊單元的埋設(shè)位置已經(jīng)預(yù)先精確標(biāo)定,因此,車載的通信基帶信號(hào)處理單元可對(duì)路邊單元發(fā)送的定位輔助進(jìn)行解析,從而得到路邊單元的坐標(biāo)等信息.上面已經(jīng)求解得到了車輛與路邊單元之間的距離,依據(jù)車載系統(tǒng)提供的角度信息,進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、投影,即可得到車輛在A2點(diǎn)的精確坐標(biāo).坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和投影在本文不贅述,關(guān)鍵是獲取車輛與路邊單元之間的精確距離值.

圖2 車輛組成示意圖

圖3 路邊單元組成示意圖

3 干涉測(cè)角原理

本文采用相位干涉測(cè)角方法,根據(jù)路邊單元發(fā)射的通信信號(hào),提取車載接收天線單元之間的信號(hào)相位差,從而獲得目標(biāo)信號(hào)的到達(dá)角度.

基于相位干涉的測(cè)角計(jì)算公式為[3?4]

其中λ為信號(hào)波長(zhǎng),d為車載測(cè)角天線的基線長(zhǎng)度,?φ為不同車載天線接收信號(hào)之間的相位差.

干涉測(cè)向精度公式可近似表達(dá)為[3]

其中為σθ測(cè)量角度的標(biāo)準(zhǔn)差,σ?φ為相位差測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差,其與信噪比有關(guān).

測(cè)角精度與基線長(zhǎng)度、信噪比的關(guān)系如圖4所示.為了提高測(cè)角精度,應(yīng)該在保證無(wú)模糊的條件下,盡量增加基線長(zhǎng)度,并通過(guò)鏈路預(yù)算保證足夠高的信噪比.

圖4 干涉測(cè)角精度與基線長(zhǎng)度、信噪比的關(guān)系

4 誤差分析

4.1 定位誤差影響因素

根據(jù)上一小節(jié)中定位原理分析,可知車輛定位誤差主要受以下因素影響:

1)路邊單元的位置標(biāo)定誤差;

2)兩次測(cè)角點(diǎn)之間的直線距離測(cè)量誤差;

3)車載干涉測(cè)角單元的角度測(cè)量誤差.

路邊單元的位置是固定的,因此,其位置參數(shù)的標(biāo)定可采用多次標(biāo)定取平均值的方法,減小隨機(jī)誤差的影響,一般其標(biāo)定精度較高,其誤差對(duì)車輛定位精度的影響在此忽略不計(jì).

兩次測(cè)角點(diǎn)之間的直線距離通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在兩個(gè)時(shí)刻給出的位置值相減得到,因此,慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差特性決定了該距離的測(cè)量誤差.慣導(dǎo)在長(zhǎng)時(shí)間未修正的情況下,由于誤差積累,其輸出的位置絕對(duì)值的誤差比較大.但在本文解決的問(wèn)題中,兩次測(cè)角點(diǎn)之間的時(shí)間間隔一般較小,以車速為72km/h,距離20m為例,時(shí)間間隔為1s.在短時(shí)間間隔內(nèi),慣導(dǎo)的誤差特性基本不變且積累誤差很小,通過(guò)兩次位置值相減,即可消除掉第一次測(cè)角點(diǎn)之前積累的誤差量,從而得到比較精確的相對(duì)距離測(cè)量值.因此,在以下的分析中,不考慮兩次測(cè)角點(diǎn)間距離測(cè)量誤差.

以下主要分析測(cè)角非理想性對(duì)定位精度的影響.假設(shè)車載干涉測(cè)角單元對(duì)來(lái)波角度的最大估計(jì)誤差為?θe,max,則考慮最壞情況時(shí),車輛與路邊單元之間的距離計(jì)算公式為

下面分析存在測(cè)角誤差情況下,測(cè)角點(diǎn)之間距離、初次測(cè)角點(diǎn)的選擇,對(duì)定位精度的影響.

4.2 兩次測(cè)角點(diǎn)之間距離對(duì)定位精度影響

在車輛行駛路線與路邊單元之間垂直距離給定的情況下,若兩次測(cè)角點(diǎn)距離越小,則張角α越小,此時(shí)測(cè)角誤差對(duì)定位精度的影響則越大.假設(shè)兩次測(cè)角點(diǎn)對(duì)稱分布于路邊單元兩側(cè),在不同的最大測(cè)角誤差值情況下,定位精度隨著兩次測(cè)角點(diǎn)之間距離S的變化如圖5所示.

圖5 定位誤差隨兩次測(cè)角點(diǎn)距離變化曲線

圖5的結(jié)果表明,在最大測(cè)角誤差值確定的條件下,應(yīng)盡量使兩次測(cè)角點(diǎn)之間距離增加,從而減小測(cè)角誤差對(duì)定位精度的影響,具體取值應(yīng)根據(jù)定位誤差要求等參數(shù)確定.

4.3 初始測(cè)角點(diǎn)對(duì)定位精度影響

除了兩次測(cè)角點(diǎn)之間距離,初始測(cè)角點(diǎn)的選擇也會(huì)造成測(cè)角誤差對(duì)定位精度的不同影響.在相同測(cè)角點(diǎn)距離的情況下,若初始測(cè)角點(diǎn)角度值θ1越小,即車輛離路邊單元越遠(yuǎn),則張角α的值也會(huì)越小,使得測(cè)角誤差對(duì)定位精度影響增加.

假設(shè)兩次測(cè)角點(diǎn)之間距離取定值,在不同的最大測(cè)角誤差情況下,定位精度隨著初始測(cè)角點(diǎn)角度值的變化如圖6所示.仿真結(jié)果表明,初始測(cè)角點(diǎn)角度值應(yīng)選取在范圍內(nèi)(50?,70?),使得張角α最大化,減小測(cè)角誤差對(duì)定位精度的影響.

圖6 定位誤差隨初始測(cè)角點(diǎn)角度值的變化曲線

4.4 減小定位誤差的措施

綜合上述分析,通過(guò)減小測(cè)角誤差,以及合理的測(cè)角點(diǎn)之間距離參數(shù)選擇等,可以有效減小各種因素對(duì)定位精度的影響.可采取以下有效措施減小定位誤差:

1)增加車載天線高度,減小地面發(fā)射多徑信號(hào)對(duì)車載干涉測(cè)角單元測(cè)角精度的影響;

2)依據(jù)通信距離等參數(shù),進(jìn)行合理的鏈路預(yù)算,保證車載接收天線端接收信號(hào)的信噪比,提高測(cè)角精度;

3)在實(shí)際情況允許的條件下,在測(cè)角不同階段可合理規(guī)劃選擇不同長(zhǎng)度的干涉測(cè)角基線,提高測(cè)角精度;

4)增加兩次測(cè)角點(diǎn)之間的距離,減小測(cè)角誤差對(duì)定位精度的影響;

5)合理選擇初次測(cè)角點(diǎn)位置,增加兩次測(cè)角點(diǎn)之間張角,減小測(cè)角誤差對(duì)定位精度的影響.

5 結(jié)論

在衛(wèi)星導(dǎo)航不可用的降級(jí)環(huán)境下,若車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一定時(shí)間內(nèi)得不到精確修正,其輸出的車輛位置值的誤差將較大.為了解決上述問(wèn)題,本文提出了一種在路邊單元輔助下,基于慣性導(dǎo)航+通信信號(hào)測(cè)角信息融合的車輛行進(jìn)間高精度定位方法,并對(duì)其定位原理和誤差影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析,最后給出了減小定位誤差的有效措施.仿真結(jié)果表明,通過(guò)合理的參數(shù)選擇,車輛定位精度可達(dá)到米級(jí),解決了降級(jí)環(huán)境下車輛行進(jìn)間高精度定位問(wèn)題.