基于車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合車輛定位研究

摘要：近幾年隨著車聯(lián)網(wǎng)不斷快速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用方向。車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)是整個(gè)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心。全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS，Strap-down Inertial Navigation System）是車輛導(dǎo)航定位領(lǐng)域的兩大技術(shù)。本文應(yīng)用的車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合定位方法可實(shí)時(shí)顯示車輛的姿態(tài)信息，解決了在城市高樓、隧道等地方短時(shí)間衛(wèi)星無法定位的問題，具有定位精度提高，抗干擾能力增強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生活中具有比較高的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；GPS；SINS；組合定位算法

1引言

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備具有價(jià)格便宜、定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)在交通工具的導(dǎo)航定位系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，為了保證GPS設(shè)備能夠良好定位，至少需要有四顆衛(wèi)星位于視距范圍內(nèi)，在城市環(huán)境中，一些高大建筑物會(huì)引起天空的可見視野被阻擋，使得車輛在這些衛(wèi)星盲區(qū)內(nèi)無法通過GPS獲得準(zhǔn)確的定位信息。另外，城市內(nèi)高大建筑物會(huì)反射GPS信號(hào)，導(dǎo)致嚴(yán)重的多徑效應(yīng)，造成車輛定位時(shí)位置信息出現(xiàn)比較嚴(yán)重的偏差問題。SINS與GPS相比，SINS定位導(dǎo)航技術(shù)因?yàn)椴恍枰蕾嚾魏蔚耐饨缧畔?，可以完整并且連續(xù)地提供導(dǎo)航信息，具有較強(qiáng)抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)，但加速度計(jì)和陀螺儀漂移產(chǎn)生的誤差會(huì)隨著時(shí)間的推移而増加，因此無法長時(shí)間達(dá)到定位導(dǎo)航需求?；谝陨系脑颍覀兲岢鲈谲嚶?lián)網(wǎng)定位導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用GPS/SINS組合定位方法，最終給出在實(shí)際道路使用條件下具有較高的定位精度、抗干擾能力及穩(wěn)定性的車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合定位應(yīng)用技術(shù)。因此，通過結(jié)合車輛的運(yùn)行特點(diǎn)，運(yùn)用組合系統(tǒng)完成系統(tǒng)定位解決城區(qū)盲區(qū)問題，在現(xiàn)實(shí)生活中具有重大意義。

2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS起始于1958年美國軍方的一個(gè)項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS 。主要目的是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)搜集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。GPS系統(tǒng)擁有如下多種優(yōu)點(diǎn)：使用低頻訊號(hào)，縱使天候不佳仍能保持相當(dāng)?shù)挠嵦?hào)穿透性；全球覆蓋（高達(dá)98%）；具有高精度；快速、省時(shí)、高效率；應(yīng)用廣泛、多功能；可移動(dòng)定位等多特點(diǎn)；不同于雙星定位系統(tǒng)，使用過程中接收機(jī)不需要發(fā)出任何信號(hào)增加了隱蔽性，提高了其軍事應(yīng)用效能。

3 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是把慣性儀表直接固連在載體上，用計(jì)算機(jī)來完成導(dǎo)航平臺(tái)功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性測(cè)量單元測(cè)量的值經(jīng)過計(jì)算機(jī)解算，在導(dǎo)航信息顯示裝置中顯示出來。它將加速度計(jì)和陀螺儀直接安置在機(jī)動(dòng)載體上，一般至少需要安裝三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)單自由度陀螺，它們的敏感軸互相垂直，組成王維坐標(biāo)系。載體三個(gè)軸的角速度就可通過三個(gè)陀螺敏感出來，獲取角速度之后可在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)計(jì)算姿態(tài)矩陣。然后通過姿態(tài)矩陣把三個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的載體沿機(jī)體坐標(biāo)軸向的加速度信息變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，再進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。同時(shí)，可從姿態(tài)矩陣中提取姿態(tài)和航向信息。顯示的信息包括速度、方向角、位置等。微慣性測(cè)量單元測(cè)得的值都是載體坐標(biāo)系下的物理量。

4 GPS與SINS組合模式研究

4.1 車聯(lián)網(wǎng)GPS與SINS組合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPS/SINS組合定位系統(tǒng)主要包括中央處理器、GPS接收模塊、加速度傳感器、陀螺儀傳感器單元等。通過加速度傳感器和陀螺儀傳感器實(shí)時(shí)對(duì)車輛的速度、位移和航向進(jìn)行信息收集，把數(shù)據(jù)傳送給中央處理器進(jìn)行解算處理之后得到具體數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)車輛的位置信息。組合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用偽距、偽距率的信息進(jìn)行組合，具體方法是利用GPS的信息和SINS系統(tǒng)的速度、位置信息計(jì)算相對(duì)應(yīng)的偽距和偽距率，再與GPS接收機(jī)的偽距、偽距率的差作為量測(cè)值，使用卡爾曼濾波器得到SINS和GPS誤差狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，再組合系統(tǒng)的輸出進(jìn)行校正。緊組合除了具有松組合的特點(diǎn)外，因?yàn)闇p少了GPS接收機(jī)的相應(yīng)速度、位置解算帶來的誤差使系統(tǒng)可獲得較髙的導(dǎo)航精度，但是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜，原理圖如圖1所示。

由此可知，因此組合定位系統(tǒng)的可靠性和正確性比單獨(dú)使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或者捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)更加可靠和準(zhǔn)確。因此我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中便提出了把GPS和SINS組合導(dǎo)航一體機(jī)的方案。

4.2車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合系統(tǒng)仿真

根據(jù)GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并通過MATLAB仿真比較本文提出的GPS/SINS組合定位與GPS獨(dú)立定位的位置誤差。仿真結(jié)果如圖2所示，藍(lán)色實(shí)線表示本文提出的GPS/SINS組合定位，黑色虛線表示GPS獨(dú)立定位。

通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可清楚看到采用普通 GPS 定位設(shè)備時(shí)，在社區(qū)小道上由于距離建筑近，GPS 獨(dú)立定位誤差相對(duì)要大，采用 GPS/SINS組合系統(tǒng)組合車輛定位系統(tǒng)可以得到誤差相對(duì)于GPS獨(dú)立定位要小。仿真結(jié)果表明SINS/VSSA是定位精度比較高的車輛自主定位系統(tǒng)，適用于無GPS信號(hào)的盲區(qū)定位。然后在前文基礎(chǔ)上，將GPS與SINS/ 系統(tǒng)組合，從而可以實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中的完整定位。并且GPS與SINS系統(tǒng)組合可以相互補(bǔ)償，相互促進(jìn)，提高定位系統(tǒng)的抗干擾能力與定位精度，仿真結(jié)果表明此方法具有一定的可行性。

5 結(jié)語

如何能夠?qū)崿F(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)中車輛盲區(qū)的精確自主定位，擴(kuò)展車輛定位導(dǎo)航的應(yīng)用范圍成為車聯(lián)網(wǎng)研究中的核心研究問題，本文通過使用車聯(lián)網(wǎng)GPS與SINS組合定位系統(tǒng)進(jìn)行航向推導(dǎo)，改進(jìn)了普通車輛 GPS 定位系統(tǒng)， 解決了城市中由于建筑物遮擋和信號(hào)反射造成的定位不準(zhǔn)確或無法連續(xù)定位的問題，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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