南京理工大学硕士学位论文实用车载GPS/DR组合导航系统研究姓名:汪辉申请学位级别:硕士专业:测试计量技术及仪器指导教师:王昌明201103硕士论文 实用车载/组合导航系统研究摘 要目前,伴随着导航技术的逐渐成熟,社会的各个领域对导航系统都有着巨大的需求,组合导航技术已成为主要发展趋势,因此对车载组合导航系统的研究具有重要意义。本文从经济和实用的角度上考虑,选用接收机、里程计和电子罗盘构建了车载/组合导航系统。为完成高精度的导航,对系统的各关键部分进行了深入的研究。首先,通过试验对多种接收机进行单点定位性能测试,选取了经济实用的车载导航接收机。针对一般车辆里程计精度不高难以满足船位推算导航需求的情况,综合分析了车身环境对传感器的各种干扰,应用专门的滤波处理电路来提高里程计的抗干扰能力,完成了精度较高的车辆导航里程计的设计。然后,详细论述了电子罗盘的工作原理及误差来源,给出了电子罗盘的误差模型,通过试验对电子罗盘进行标定并采用最乘法对其误差进行补偿,得到了较好的补偿效果。此外,为方便实际应用中对目标信息的设定,设计了无线装订器来完成信息的传递。根据系统的实际情况,建立了组合导航系统的数学模型,并将卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波技术应用到导航系统中。通过仿真分析表明,卡尔曼滤波能够有效地提高导航系统精度;但相比于经典卡尔曼滤波,扩展卡尔曼滤波技术更适用于处理非线性的导航系统。最后,对组合导航系统进行跑车试验,验证了系统的稳定性和可靠性。关键词:,船位推算,里程计,组合导航,卡尔曼滤波,无线装订,电子罗盘 硕士论文 ?./. . ,. . , .,西 . .,.、析血 . 、】,., :, , 硕士论文 实用车载/组合导航系统研究绪论.本课题的研究背景及意义导航来源于人类交通和军事活动对方位或位置识别的需要,其目的是要解决“我在哪里”和“我向哪儿去”这类基本定位和引导问题。它的传统定义为:引导交通工具或其他运动物体从一个位置移动到另一个位置的过程。进入世纪以后,导航技术发展迅速,广泛地应用于导弹制导、航海、航空等军事任务以及交通运输、大地检测等民用领域中。在军事领域,导航系统不仅能够更好地满足执行军事任务的导航需要,还提供出更为广泛的战术功能,成为军事战斗力的重要组成部分。在民用方面,导航系统已经普遍的应用在交通运输、公路监测等方面,使人们的日常生活更加便捷、安全,也使得人们能更及时准确的了解到地面信息,导航系统巨大的市场潜力日益彰显。特别是智能交通系统的产生,促进了车载导航系统的飞速发展。目前,车载导航系统普遍采用,全球定位系统。这种系统具有全球覆盖、高精度、高保密、实时连续和用户数量不受限制等优点。但是系统的信号易受到外界环境的影响,导致精度下降,在高楼,隧道等条件下甚至会造成信号中断而无法定位。船位推算系统 ,也是车辆常用的导航方式,具有成本低,短时间内定位精度高的优点,但随着时间的增加,传感器的误差也会随之增加,因此这种导航方式具有时间局限性且不能长时间使用。至于惯性导航系统虽然自主性很强,但是价格昂贵。为了克服单一导航定位系统的局限性,更好地实现导航目的,常采用组合导航系统,将几种导航设备通过导航计算机有机地组合在一起,应用卡尔曼等数据融合技术,发挥各自的优点,使导航系统更精确可靠。因此,研究一套精度高,成本低并且自主性强的实用车载组合导航系统具有重大意义。目前组合导航技术在国内外都取得了很大的进展,出现了多种组合导航方式,并且新的组合导航模型和数据融合方法不断出现,使得组合导航系统的精度不断提高。.车辆导航定位系统概述.车辆导航定位系统的发展历史自从人类出现最初的政治、经济和军事活动,就有了对导航的基本需求。最早也是最经典的车辆导航系统【当属中国古代的指南车,其原理与现代的磁罗盘相似。现代车辆上最初应用的导航设备主要是磁罗盘和里程计。绪论 硕士论文随着人们出行时对车辆依赖性的增加,汽车上的相关功能也逐渐被开发出来。世纪年代末开始提出车辆导航定位系统的概念,当时采用航位推算技术与地图匹配技术实现来车辆的导航和定位【。这类系统主要有年代美国的导航器,欧洲的“ 车辆船位推算系统,荷兰的“车辆定位系统,德国的“蝴.车辆路线制导系统,英国的”车辆导航系统【。受到当时条件的限制,这类系统的实用性很差。世纪年代后,在通信技术和计算机技术的推动作用下,尤其是全球定位系统的建立,车辆导航定位系统进入真正的实用阶段。传统意义上的导航定位系统的概念被打破,车辆导航不再是对单一的车辆进行定位,而是发展到车辆与道路双向信息交换的智能车辆/道路系统,在这一基础上,集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化概念为一体的智能交通系统应运而生【】。由于系统的高精度、低成本、易于和其他传感器进行融合等优点,以为主的车辆导航定位系统快速发展。但容易受到外界环境的干扰导致信号丢失等不能实现连续定位,为了克服单一导航手段的弊端,出现了组合导航。组合导航系统是在现代控制技术、数字信息技术、信息处理技术等最新成果的基础上发展起来的,尤其是现代网络技术、信息技术,计算机技术的发展使组合导航系统由两种或三种向多传感器信息融合系统发展【】。目前,车辆导航定位技术的研究主要还是集中在欧洲,美国,日本这些发达国家。目前车辆导航技术的发展主要呈现如下趋势。导航技术发展的主要方向是卫星导航。自从美国导航系统伴随着能够实施全天侯、全空间、三维、实时导航的优点出现,出于对国家国防安全与经济利益的要求,各国都相继开始研制卫星导航系统。目前俄罗斯已经成功研制了系统,欧洲也研制了系统,我国也建立了自己的“北斗”卫星导航系统。在发展和实施卫星导航计划中,由于空间资源的有限性,各个国家之间必然会出现激烈的竞争。自主式导航继续发展。导航系统属于非自主性导航系统,仅仅依靠卫星不能为运载体连续地提供位置和速度信息。因此,对于运动的车辆、大型飞行器如导弹、航天飞机、火箭等,自主式导航是不可被替代的。组合导航成为主要的导航方式。根据不同的需求,组合导航有各种不同的组合方式,但以惯性导航作为辅助系统的方式为人们所共识。目前组合导航系统主要有卫星导航/惯性导航主要是心组合、惯性导航/天文导航/组合、惯性导航/多普勒导航/组合等。军用导航系统快速发展。在军事上,现代战争要求地面协同作战,对导航系统提出了更多的要求。主要要求包括导航系统具有强大的电子对抗能力、精度要求硕士论文实用车载/组合导航系统研究高于敌方、自主式、高动态、具有大范围导航的能力。.常见的导航定位技术根据导航定位方式的不同,可以将导航分为自主式导航、卫星导航、无线电导航、地图匹配导航等。自主式导航自主式导航不受外界环境干扰的影响,没有信号丢失的缺点,完全依靠车载设备就可以完成导航任务,主要有惯性导航系统,和船位推算导航系统。惯性导航【】惯性导航系统以牛顿力学定律为基础,通常由加速度计和陀螺仪组成,是通过测量物体的加速度惯性,并自动进行积分运算获得载体的瞬时速度和位置数据。惯性导航根据飞行器安装方式的不同,可以分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。惯性导航系统工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航,具有隐蔽性好,不受天气条件的限制,在航空、航海、航天等领域中都有广泛的应用,但是长时间工作可靠性会大大降低。船位推算导航船位推算是一种常用的自主定位方式,它的基本原理是利用里程计输出的距离信息,陀螺仪或者罗盘输出的角度信息,通过计算确定运动物体当前的位置,然后根据运动物体的运动方向和航向距离,推算运动物体下一时刻的位置,从而实现导航。这种导航方式具有成本低,短时间内定位精度高的优点,但是误差会随着时间的增加而积累,不能够单独、长时间的使用。卫星导航卫星导航是世纪发展起来的新兴学科,是继惯性导航之后导航技术史上又一次重大的技术突破【。卫星导航是以卫星为空间基准点,导航用户通过卫星接收机接收导航卫星发送的高精度无线电导航信号,利用卫星每一时刻速度和位置信息来测定接收机至卫星的距离或多普勒频移等观测量来确定用户的位置和速度。海军卫星导航系统美国海军卫星导航系统 ,又称子午仪系统,由美国于年建成。子午仪导航卫星可以连续发射三种导航信息,即卫星星载波频率。该系统采用颗卫星定位,在年测定的精度为,年提高到。该系统具有不受天气条件影响的优点,但是由于卫星数目少、运行高度低、硕士论文绪论从地面站观察到卫星的时间间隔长,无法实时连续地提供三维导航,并且获得一次导航解算的时间较长,所以不能满足高动态导航的要求。全球定位系统导航系统由美国于世纪年代开始研制,该系统由三大部分组成:空间部分?卫星星座;地面控制部分?运行控制系统:用户部分?一接收机。空间部分由颗卫星,在地球的任何位置、任何时刻至少能同时观测到颗卫星,平均可以看见颗,只要能同时观测到颗以上的卫星,就能够得到用户的三维坐标、速度分量和精确定时【。丌。卫星导航定位系统卫星导航定位系统是于年苏联国防部宣布开发,世纪年代初开始建设的与美国系统相类似的卫星导航系统。系统的空间星座部分由颗处于工作状态的卫星和颗处于工作状态的在轨备份卫星组成,颗卫星可以为地球表面%的区域提供重连续覆盖,颗卫星可以为地球表面%以上的区域提供重连续覆盖【】。卫星发射波段的、两种载波信号。的载波频率为.,的载波频率为.。测距信号格式为伪随机噪声扩频信号,测距码用最长系列码。系统卫星识别方式与不同,采用频分多址方式,这种方式占用频带段较宽,个卫星的频道占用约为。基于/码标准精度的单点实时定位精度为:在水平方向不低于,在垂直方向为不低于。系统最大的优点在于能够记录卫星的错误并实时更新;但是与相比,系统用户尚少,到年月,仅有颗卫星正常工作,影响了系统的广泛使用。伽利略卫星导航系统欧洲的伽利略卫星导航系统是一个民用商业性质的卫星导航系统,这与系统和系统完全由军方控制形成鲜明的对比,也为该系统未来广阔的应用领域提供了有力的保障。它与系统和系统相比,具有更精确、更安全、更稳定的特点。北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统是我国拥有自主知识产权的卫星导航系统。第一代北斗卫星导航系统属于双星定位,基本实现了中国本土及周边地区的导航定位功能。年北斗代系统开始研制,其目标是建设具有连续实时无源三维定位测速能力,高精度授时能力和用户位置报告能力的全球卫星导航系统,预计年完成建设例。无线电导航四无线电导航定位系统是通过无线电信号参量所测量到的几何、物理参量来确定用户的方位、距离、姿态、位置等,依据的原理是电磁波在自由空间沿直线传播,传播硕士论文实用车载/组合导航系统研究速率恒定以及在传播路线上遇到障碍物时会发生发射。无线电导航系统也是目前使用广泛的导航系统,它受外界条件如昼夜、季节、天气等的限制较小,测量速度快,系统体积小,价廉经济,但是由于无线电信号的接收与辐射导致该系统无法胜任需要隐蔽的场所。,地图匹配导航地图匹配是一种软件定位修正方法,它的主要思想是将数字地图中的道路信息网与车辆的定位轨迹相对比,从而确定车辆在地图中的位置【】。地图匹配的方法有概率统计算法、