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车载GPS定位技术与应用车载GPS定位技术与应用电气与信息工程学院电子信息工程系电气与信息工程学院电子信息工程系车载GPS定位技术与应用§4.1GPS/DR组合定位§4.2GPS/MM组合定位方法第四章 组合定位方法组合定位原因由于我国地理环境复杂，某些时候造成“丢星”如城市的高层建筑区、茂密的林荫道、立交桥及山区里的隧道等区域，受到卫星信号遮挡等多种因素的干扰，造成“丢星”，使得GPS系统不能连续可靠地得到车辆的定位信息或者得到GPS定位数据的精度较差。GPS接收机本身的定位频率不够。大部分GPS接收机都是每隔1s产生一次定位数据因此，如果要精确地确定车辆的位置，必须加以其他的辅助定位方式。航位推算（DR-DeadReckoning）DR技术是利用速度传感器——里程表和航向传感器——电子罗盘或者陀螺仪测量位移方向，从而推算车辆的位置。基本思想：当车辆在二维平面空间行驶时，如果初始位置和先前的每步位移均已知的话，在任何时刻的车辆位置都是可以计算的。DR（续）由于航位推算是一个累积的过程，因此，所有的传感器误差均会造成位置误差的积累，产生定位误差积累的原因主要有里程表误差，(2)角速率陀螺漂移误差，(3)航向误差。减小这些误差的方法有:利用GPS精确定位信息对导航传感器的误差进行校正。采用卡尔曼滤波技术对角速率陀螺信号进行滤波处理，减小干扰和漂移误差。分析表明利用GPS/DR组合定位技术能提高车载定位系统的精度及可靠性。一方面，GPS提供的绝对位置信息可以为DR提供推算定位的初始值，并进行误差校正;另一方面，DR的推算结果，可用以补偿GPS信号“失效”时无法定位的缺陷，还可用于补偿GPS定位中的随机误差，从而平滑定位轨迹，提高车载定位系统的精度。关键在于：采用何种方法来组合两种定位系统的信息以获得最优的组合定位结果。常用组合方案：切换式组合和数据融合（滤波）方案两种工作状态：GPS模式和DR模式当GPS观测到的卫星数较多时工作于GPS模式，同时利用GPS的定位输出刷新DR系统的初始推算位置；当GPS定位数据失效时则切换到DR模式。优点：简单易行，系统承担的计算量很小，可以解决卫星信号失效时短时间的定位问题。缺点：1、两种系统没有有效融合不能发挥两者的优点。2、DR所需要的初始信息由前一时刻的GPS数据提供，使得GPS数据中的误差直接被传递到了DR推算过程汇中，造成DR系统的定位精度下降，缩短了其能够满足定位精度要求的有效工作时间等。切换式方案（续）数据融合方案——卡尔曼滤波思路：将GPS和DR信息同时用于定位求解过程中，使DR系统的状态在滤波过程中不断得到修正，同时组合定位的输出又可以为DR系统提供较为准确的初始位置和方向信息，从而即使GPS失效、单独使用DR推算定位时也能长时间的保持较高的定位精度。信息融合原理是:系统总信息在2个分块滤波器中进行适当分配;分配后的信息与局部传感器的信息进行组合，完成局部传感器的信息更新;更新后的局部信息重新组合为新的总信息和。12图4-3陆路车辆定位的数据融合示意图数据融合结构陆路车辆定位的数据融合结构如图4-3所示，陀螺仪测量车辆运动的水平角速度，速度计测量车辆单位时间内行驶的距离。4、模型描述1）系统状态方程车辆的运动方向由陀螺仪输出的角速度积分而得：图4-2陆路车辆运动的坐标关系(4-1)(4-2)车辆在采样间隔内移动的距离由速度计输出的车辆速度积分而得，即根据假定条件a)，车辆k+l时刻的位置坐标可由下式递推而得，由(4-2)和基本的三角几何关系可得观测方程在GPS/DR组合定位中，车辆位置可以通过GPS或者DR两种方法来获得，但是利用DR需要知道车辆运行的初始方向和位置。系统的观测方程表示为当GPS卫星信号质量太差时，车辆的位置坐标由DR算法获得，当GPS信号有效时，GPS接收机输出的位置坐标作为观测量。观测噪声的特性取决于观测量来自于GPS还是DR。由于SA已经取消，GPS定位误差可用表示。当利用DR获得车辆位置时，位置估计误差随车辆行驶的距离而增加。总之，观测噪声可由下式给出，导致系统噪声w1(k)...w4(k)的噪声n△d(k)与n△Θ(k)的方差为卡尔曼滤波模型基于(4-6).(4-7)和(4-8)可以利用标准的卡尔曼滤波来估计车辆的位置。为减少计算量，此处应用复数表示的卡尔曼滤波模型。状态向量、观测向量以及相应的状态转移矩阵、观测矩阵和系统噪声等表示为复数形式如式(4-11a)——(4-11i)所示，因此(4-6)——(4-