車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS組合定位分析研究

趙紅霞

摘要：盲區(qū)中的車輛精確定位是當(dāng)前車聯(lián)網(wǎng)中的研究熱點和難題之一。本文在車聯(lián)網(wǎng)中采用全球定位系統(tǒng)（GPS）和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）相結(jié)合的聯(lián)合定位方式，全面提高了系統(tǒng)的準確度，增加了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的定位可靠性。

關(guān)鍵詞：GPS；SINS；車聯(lián)網(wǎng)

1.引言

車聯(lián)網(wǎng)簡稱為汽車移動物聯(lián)網(wǎng)，它將車載導(dǎo)航定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息平臺，移動通訊技術(shù)及智能終端設(shè)備相結(jié)合，一方面實現(xiàn)了車與車、車與城市、車與路之間的信息互聯(lián)互通，另一方面實現(xiàn)了對路、車、位畳、人等信息進行全面的管理和監(jiān)控。

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的中心部分即車載定位導(dǎo)航系統(tǒng)。而車輛導(dǎo)航定位領(lǐng)域的兩大技術(shù)分別是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS，strapdownintertial navigation system）和全球定位系統(tǒng)（GPS，globa positioning system）。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）在丟星條件下運用牛頓第一定律測算出載體在慣性參考系中的加速度信息，然后再對其進行積分變換，從而獲得車輛在具體位置的定位參數(shù)信息。但SINS有它的不足之處即無法實現(xiàn)高精度長時間的定位。GPS之所以可提供實時、全天候車輛載體的高精度速度信息和位置信息且誤差不隨時間積累，但它的缺點是在隧道和城市高樓等衛(wèi)星被遮擋區(qū)域易受干擾，甚至因丟星而無法定位。因此結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)存在的優(yōu)缺點，文中提出了一種車聯(lián)網(wǎng)GPS/SINS相組合的新的定位導(dǎo)航技術(shù)。

2.GPS/SINS組合定位的優(yōu)點

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）具有很強的互補性，兩者之間的組合可以揚長避短總結(jié)起來兩者組合的優(yōu)點主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的系統(tǒng)誤差將伴隨時間的積累而不斷累加，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差則不會隨著時間的推移而累加，且GPS定位精度較髙，所以當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）處于有效狀態(tài)時，采用GPS定位。如果GPS信號受到干擾，組合定位系統(tǒng)仍舊可以通過捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在較短時間內(nèi)計算出相對準確的狀態(tài)、位置、速率等定位信息。鑒于此我們在實際應(yīng)用中便提出了將SINS設(shè)備當(dāng)中嵌入GPS用戶接收機電路板的方案，既節(jié)約經(jīng)濟成本，又提髙導(dǎo)航設(shè)備的便攜性。

（2）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）的初始化時間較長，但其比GPS有著更快的導(dǎo)航信息輸出速率并且接收導(dǎo)航信息沒有延遲時間；衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）的導(dǎo)航信息的輸出速率較慢，而用戶接收機的初始化時間短。因此有效的結(jié)合GPS與SINS系統(tǒng)，既可以解決導(dǎo)航信息的接收時延，導(dǎo)航信息輸出速度問題又可以減少系統(tǒng)的初始化校準時間。

（3）在GPS和SINS系統(tǒng)的超緊組合可實現(xiàn)GPS用戶接收機對衛(wèi)星星座的實時跟蹤，有效地提髙用戶接收機抵御外界干亂的能力。

綜合上述分析，得出如下結(jié)論：將GPS/SINS組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中，一方面解決慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間積累的誤差増長問題，提高車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的精準度，另一方面可使車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位信息更加實時可靠。

3.GPS/SINS組合定位系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用以客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S）為主、瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（B/S）為輔的架構(gòu)。系統(tǒng)由4部分組成：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）、車載模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、車輛網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器.本系統(tǒng)采用GPS/SINS組合定位方法，聯(lián)系相關(guān)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、汽車電子技術(shù)、電子地圖技術(shù)等，將GPRS網(wǎng)絡(luò)作為基本通訊平臺，以此有效地監(jiān)控車載設(shè)備返回的數(shù)據(jù)。

（1）GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS可以提供行駛路線監(jiān)控，車輛定位、防盜、反劫以及呼叫指揮等功能。GPS包括空間部分、地面控制系統(tǒng)和GPS接收機3個主要元素。該系統(tǒng)中GPS接收機的主要功能是將接收到的GPS定位信息進行信號放大和變換，并計算出衛(wèi)星到載體接收機天線的傳播時間，最后實時地計算顯示出載體的三維位置（經(jīng)度、高程和緯度）、時間和速度。地面監(jiān)控系統(tǒng)的功能包括：監(jiān)測衛(wèi)星上的各種裝備能否正常運轉(zhuǎn)；接收每顆GPS衛(wèi)星所發(fā)送的星歷；對沒有沿著預(yù)定軌道運行的衛(wèi)星進行控制更改?？臻g部分包括24顆GPS衛(wèi)星。該24顆衛(wèi)星構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座，它們均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，平均每一軌道平面上分配有4顆衛(wèi)星，每顆GPS衛(wèi)星都送出定位信息。

（2） 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)器

服務(wù)器中心的定位系統(tǒng)是整個車聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)能否實現(xiàn)的核心要素。它由車輛調(diào)度子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)和地理信息子系統(tǒng)組成。1）車輛調(diào)度子系統(tǒng)的功能如下：一是查詢車輛位置，并通過監(jiān)控終端在電子地圖上顯示出來；二是設(shè)置區(qū)域報警并在監(jiān)控終端指揮中心的電子地圖上顯示相應(yīng)范圍。當(dāng)區(qū)域范圍報警設(shè)置完成后，一旦車輛離開或進入設(shè)置的區(qū)域后將發(fā)出報警信號；三是調(diào)度中心用人工語音或短信息的方式對目標車輛進行實時調(diào)度。如果在車輛不受指揮或出現(xiàn)異常，調(diào)度中心可以自動對車輛執(zhí)行遙控指令。2）信息管理子系統(tǒng)的主要功能如下：一是對不同人員訪問、操作不同模塊的權(quán)限進行修改和設(shè)置；二是對日常操作如車輛定位、消息接收發(fā)送等進行統(tǒng)計、查詢等簡單操作；三是對駕駛員信息和車輛信息進行機器化、自動化、智能化管理。3）地理信息子系統(tǒng)的職能即對地圖進行任意開窗漫游、放大、縮小等，調(diào)整GIS比例。當(dāng)圖形開窗縮小與放大時，為了使屏幕承載度合理，避免屏幕顯示過密，可根據(jù)圖形縮放比例的不同，顯示不同詳細程度的地圖內(nèi)容。

（3）GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPS接收器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接并進行數(shù)據(jù)傳輸。而數(shù)據(jù)傳輸過程中需要遵照必要的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。因為TCP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)中的各個主機提供面向連接的可靠通訊服務(wù)，所以選擇TCP協(xié)議。

（4）車載GPS/SINS定位模塊

硬件電路和軟件設(shè)計兩部分構(gòu)成了GPS/SINS組合定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件電路部分主要包括GPS接收模塊、加速度傳感器、中央處理器、陀螺儀傳感器單元等。在丟星的情況下由陀螺儀傳感器和加速度傳感器實時完成車輛的位置、速度和航向信息采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器進行計算處理。

4.系統(tǒng)實驗

在城市內(nèi)隨機選擇某一道路，比如社區(qū)小道、主干道和快速道，然后分別使用GPS/SINS組合車輛定位系統(tǒng)和普通GPS定位系統(tǒng)記載沿路位置坐標，然后分別標注在地圖上，通過實驗對比可得出結(jié)論：對于距離建筑物近的社區(qū)小路，采取普同GPS定位系統(tǒng)則出現(xiàn)大量 GPS信號丟失，無法準確定位，而采用組合定位則可精確定位。

5.結(jié)語

本文通過對測試過程中車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中試驗車輛的位置信息數(shù)據(jù)進行提取分析，驗證了GPS/SINS組合車輛定位系統(tǒng)可以得到連續(xù)的定位信號，并同時提髙位置信息采集的覆蓋率，解決了城市中由于信號反射和建筑物群遮擋造成的無法連續(xù)定位或定位不精確的問題。改進了普通車輛GPS定位系統(tǒng)。鑒于此，本文驗證了GPS/SINS組合定位方式可有效地為車聯(lián)網(wǎng)提供定位信息，以及GPS/SINS組合定位技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的適用性。

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（基金項目：江西省教育廳科技項目GJJ151150，江西科技學(xué)院自然科學(xué)項目ZR14QN07）endprint