基于GPSBD2組合的車載導航系統(tǒng)性能分析

高 山，趙永卿，譚曦光

(西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756)

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基于GPSBD2組合的車載導航系統(tǒng)性能分析

高 山，趙永卿，譚曦光

(西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 611756)

中國獨立發(fā)展的北斗系統(tǒng)已經(jīng)具備亞太地區(qū)的定位導航能力，為研究以北斗系統(tǒng)為主的車載導航技術(shù)的應(yīng)用精度，采用偽距單點定位的方法分別對車載GPS，BD2，GPSBD2 3種導航模式下的二維導航精度進行對比分析，結(jié)果顯示定位精度分別為：3.66 m，4.76 m，3.01 m，可以看出基于單點定位的北斗二維平面導航精度已達到5 m內(nèi)，完全滿足大眾日常的出行要求。組合系統(tǒng)與GPS導航系統(tǒng)對比，組合系統(tǒng)具有更高的精度，是較好的導航模式。并基于visual studio平臺編寫定位軟件，實現(xiàn)對車輛位置和速度信息的提取，監(jiān)控車輛是否超速。

北斗；GPS；組合定位；單點定位；車載導航

北斗區(qū)域衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由中國自主發(fā)展、獨立運行的，其衛(wèi)星星座包括地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)、中圓地球軌道衛(wèi)星(MEO)，截止到2015-09-30，已共發(fā)射衛(wèi)星20顆，已具有很不錯的導航定位能力[1]。而現(xiàn)如今在車載導航系統(tǒng)領(lǐng)域中，GPS具有90%以上的市場份額，占據(jù)絕對主導地位，但GPS系統(tǒng)是由美國研發(fā)和控制的，中國用戶過分依賴GPS是有風險的。隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的逐步完善，以及現(xiàn)今社會對定位技術(shù)的需求越來越高，研究以北斗為主的衛(wèi)星導航定位技術(shù)，對公共交通車輛的位置與速度進行全程監(jiān)控是十分必要的[2-4]。北斗與GPS組合系統(tǒng)將改善單一衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座的幾何結(jié)構(gòu)，在GPS可視衛(wèi)星數(shù)較少情況下，北斗衛(wèi)星將提供有效補充，反之亦然。使用更多的觀測值能有效避免法方程系數(shù)矩陣的病態(tài)，從而保證衛(wèi)星導航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，本文首先描述單系統(tǒng)定位和GPSBD2組合偽距單點定位的基本算法，以及主要定位誤差的消除方法，然后采用北京福星遠航公司研發(fā)的北斗GPS雙系統(tǒng)5頻接收機板卡接收車載實測數(shù)據(jù)[5]?；趘isual studio平臺編寫定位軟件，分別對GPS，BD2，GPSBD2 3種導航模式下的車輛位置的二維導航精度進行對比分析，研究車載北斗系統(tǒng)的導航能力，以及組合系統(tǒng)對于單一系統(tǒng)定位能力的提高程度。

1 北斗系統(tǒng)與GPS的定位模型比較

1.1 時空基準的統(tǒng)一

由于GPS和北斗屬于兩個獨立的導航系統(tǒng)，其時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)均不相同。GPS與北斗都采用原子時作為時間基準，但時間起算原點不同：GPS采用GPST，時間起算原點為1980-01-06 UTC 0：00；北斗采用BDT，時間起算原點為2006-01-01 UTC 0：00。GPST與BDT均屬于連續(xù)的時間系統(tǒng)，由于UTC存在跳秒，因此GPST和BDT與UTC分別相差整數(shù)跳秒，而GPST與BDT時間起點不同，二者除相差1 356整周外，GPST與BDT也差了一個整數(shù)閏秒[6]，即

(1)

對于坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，GPS采用WGS-84系，北斗采用CGCS2000系，均屬于地固坐標系，這兩個坐標系統(tǒng)間的差異相對于偽距單點定位精度的影響可以忽略不計，因此在進行組合偽距單點定位時可以忽略坐標系統(tǒng)間差異導致的誤差[7]。

1.2 北斗GEO衛(wèi)星坐標計算

北斗系統(tǒng)的IGSO，MEO衛(wèi)星坐標計算方法與GPS一致，但北斗GEO衛(wèi)星計算方法有所不同，要在其解算結(jié)果上乘以3個旋轉(zhuǎn)矩陣。

(2)

式中：R為按常規(guī)用戶算法計算得到的地固系下的衛(wèi)星位置矢量;R′為經(jīng)過坐標逆變換后得到的最終地固坐標系下的衛(wèi)星位置矢量；n表示參考平面旋轉(zhuǎn)的角度;Rx，Rz表示初等變換矩陣[8]。

(3)

因為GEO衛(wèi)星的軌道傾角i0接近0°，故可設(shè)一個很小的值，如i0=0.2來判定，即在讀取北斗星歷文件時，判斷i0<0.2時，確定為GEO衛(wèi)星。

2 單點定位模型及主要誤差項改正

2.1 偽距單點定位模型

設(shè)ρ為偽距觀測量，R為接收機到衛(wèi)星的真距離，τ為衛(wèi)星鐘差與接收機鐘差之差，則觀測方程為

(4)

(5)

式中

(6)

ATPAX+ATPL=0,

(7)

最終用戶坐標等于測站的概略坐標加上坐標改正值。本文采用1:1等權(quán)方法進行系統(tǒng)間的融合定位[9]。

2.2 主要誤差項改正

1)電離層改正。本文采用的電離層改正方法為雙頻觀測法：利用雙頻偽距觀測量，設(shè)L1上測距碼測定的站星距為ρ1，L2上測距碼測定的站星距為ρ2，實際的站星距為S，有S=ρ1+Viron，Viron為電離層改正，用式(8)求出。

(8)

北斗與GPS載波頻率數(shù)值如表1所示。

表1 北斗、GPS載波頻率 MHz

2)對流層改正。對流層誤差改正的方法有很多，如經(jīng)典的Hopfield模型和Saastamoinen模型，本文采用簡化的Hopfield模型，E為衛(wèi)星高度角。

(9)

3)相對論改正。相對論改正采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑?/p>

(10)

式中：μ=3 986 005×108m3/s2;Ek為衛(wèi)星偏近點角。

4)衛(wèi)星鐘差改正為

(11)

式中:a0,a1,a2為衛(wèi)星鐘的漂移參數(shù)，記錄于衛(wèi)星

星歷文件的首行。

3 實測結(jié)果分析對比

實測數(shù)據(jù)采用北斗GPS雙系統(tǒng)5頻接收機，于西南交通大學犀浦校區(qū)內(nèi)采集，分別進行車載單GPS、單北斗、GPS北斗融合系統(tǒng)3次實驗。衛(wèi)星高度截止角為10°，采樣間隔5 s。

3.1 定位誤差中誤差

根據(jù)間接平差的基本原理得到單位權(quán)中誤差

(12)

式中：n為該歷元所有觀測衛(wèi)星的個數(shù)；t為必要觀測值[12-13]，對于單系統(tǒng)n=4，融合系統(tǒng)n=5。

設(shè)未知數(shù)的協(xié)方差矩陣為QP，則

(13)

其主對角線元素為QXX，QYY，QZZ，Qtt，有

(14)

由此可得，其二維平面位置定位誤差為

(15)

經(jīng)計算得出單GPS系統(tǒng)二維定位精度如圖1所示。

(a)GPS單點定位的二維定位中誤差

(b)GPS單點定位觀測的衛(wèi)星數(shù)變化圖

由圖1可知，單GPS系統(tǒng)平面定位的誤差為3～4 m左右，觀測到的平均衛(wèi)星個數(shù)為8顆。單北斗系統(tǒng)二維定位精度如圖2所示。

由圖2可知，單北斗系統(tǒng)定位的誤差為4～5 m，觀測到的平均衛(wèi)星個數(shù)為7顆。

GPS/北斗組合系統(tǒng)定位精度如圖3所示。

由圖3可知，組合系統(tǒng)的定位精度最好，定位誤差約為3m，觀測到的平均衛(wèi)星個數(shù)約為14顆；并且由誤差曲線的波動來看，組合系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好。

3.2 衛(wèi)星精度因子

DOP(Dilution of Precision)值的大小與定位的誤差成正比，DOP值越大，定位誤差越大，定位的精度就低。HDOP(平面位置精度因子)是衡量定位精度的重要指標[14]。3系統(tǒng)HDOP對比如圖4所示。

(a)北斗單點定位的二維定位中誤差

(b)北斗單點定位觀測的衛(wèi)星數(shù)變化圖

(a)組合單點定位的二維定位中誤差

(b)組合單點定位觀測的衛(wèi)星數(shù)變化圖

圖4 3系統(tǒng)HDOP對比圖

3.3 車輛速度計算

車輛的速度可通過用戶位置的導數(shù)來近似估計為

(16)

基于校園內(nèi)人流路況影響，實驗車輛的近似行駛速度曲線如圖5所示。

圖5 近似速度曲線

軟件解算車輛平面位置與速度導入Matlab[15]，模擬車輛行駛路線，成圖展示如圖6所示。

圖6 軟件輸出定位曲線

綜上，3系統(tǒng)定位精度的對比結(jié)果如表2所示。

表2 3系統(tǒng)單點定位精度指標對比

4 結(jié) 論

1) 由表2可得：GPSBD2，GPS，BD2二維平面定位誤差中誤差分別為:3.01 m<3.66 m<4.76 m。所以，3系統(tǒng)的定位性能分別為：GPSBD2最好，其次是GPS，北斗最差，但北斗系統(tǒng)動態(tài)定位的二維平面精度也在5 m以內(nèi)，可以基本滿足日常的車載導航要求；

2)GPSBD2組合定位可以極大改善某處區(qū)域可視衛(wèi)星個數(shù)較少的問題，有效減小單系統(tǒng)定位時法方程矩陣的病態(tài)，從而提高定位的精度和穩(wěn)定性，是最好的導航模式；

3)我國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)與GPS相比還存在一定差距，但隨著系統(tǒng)的不斷完善，北斗系統(tǒng)的導航定位能力也越來越好，這個差距正逐漸縮小。

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[責任編輯：張德福]

Analysis of vehicle navigation performance based on GPS/BD2 integration

GAO Shan，ZHAO Yongqing，TAN Xiguang

(Dept. of Surveying & Mapping Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China)

The independent development of China’s BeiDou navigation system has already covered the Asia-Pacific region. To study the performance accuracy of BeiDou system-based vehicle navigation technology, this paper uses pseudo range single point positioning method to analyze their two-dimensional positioning accuracy of three navigation modes GPS, BD2, and GPSBD2. The results show that accuracy shows 3.66 m, 4.76 m, 3.01 m, of which the positioning accuracy of BeiDou navigation system based on single point positioning has reached 5 m inside, fully meetting the public daily travel requirements. And compared with GPS navigation system, the combined system has higher precision, so it’s the best navigation mode. Besides, writing positioning software based on visual studio platform, can be used to extract the vehicle position and speed information to monitor whether the vehicle exceed the speed limit.

BeiDou；GPS；fusion positioning；single point positioning；vehicle navigation

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.02.003

2016-1-25

四川省科技廳項目(14ZC1529)

高 山(1975-)，男，副教授，博士.

趙永卿(1991-)，男，碩士研究生.

P228

A

1006-7949(2017)02-0009-05

引用著錄：高山，趙永卿，譚曦光.基于GPSBD2組合的車載導航系統(tǒng)性能分析[J].測繪工程，2017，26(2)：09-13.