智能汽車測控技術(shù) 課件 第7章 高精度定位系統(tǒng)

智能汽車測控技術(shù)第七章高精度定位系統(tǒng)7.1全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)7.2慣性導(dǎo)航定為技術(shù)7.3多傳感器融合定位7.4無線定位技術(shù)7.5高精度定位系統(tǒng)應(yīng)用實例第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基本概念

人造衛(wèi)星是由人類建造，以太空飛行載具如火箭、航天飛機等發(fā)射到太空中，像天然衛(wèi)星一樣環(huán)繞地球或其他行星的裝置。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基本概念人造衛(wèi)星組成保障系統(tǒng)：保障衛(wèi)星和專用系統(tǒng)正常運行。如，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制和軌道控制系統(tǒng)、無線電測控系統(tǒng)。專用系統(tǒng)：與衛(wèi)星所執(zhí)行的任務(wù)直接有關(guān)的系統(tǒng)，也稱有限荷載。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基本概念分類：科學(xué)衛(wèi)星：專用系統(tǒng)是各類空間物理探測、天文探測等儀器。技術(shù)試驗衛(wèi)星：專用系統(tǒng)是各類新原理、新技術(shù)、新方案、新儀器設(shè)備和新材料的試驗設(shè)備。應(yīng)用衛(wèi)星：專用系統(tǒng)包括通訊轉(zhuǎn)發(fā)器、遙感器、導(dǎo)航設(shè)備等。衛(wèi)星導(dǎo)航：指采用導(dǎo)航衛(wèi)星對地面、海洋、空中和空間用戶進行導(dǎo)航定位的技術(shù)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）：是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面測控站和用戶設(shè)備等組成，能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基本概念第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)基本概念全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)美國全球定位系統(tǒng)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理從理論上來看，三點定位是可以實現(xiàn)的，但在實際應(yīng)用中存在如下問題：（1）時鐘同步問題導(dǎo)航衛(wèi)星都配有高精度的原子鐘，由于衛(wèi)星時鐘和用戶終端使用的時鐘間一般都有誤差，完全同步只存在理論上的可能性。由于電磁波以光速傳播，微小的時間誤差將會使距離信息出現(xiàn)巨大失真。（2）大氣效應(yīng)的影響在實際應(yīng)用中需要考慮大氣效應(yīng)對測量值的影響。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.基本原理

第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)2.GPS定位系統(tǒng)美國GPS提供具有全球覆蓋、全天時、全天候、連續(xù)性等優(yōu)點的三維導(dǎo)航和定位能力，是一種優(yōu)良的測量、定位、導(dǎo)航和授時手段。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)2.GPS定位系統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)構(gòu)成導(dǎo)航衛(wèi)星：由24顆衛(wèi)星組成（其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星），分布在6個地球橢圓軌道，每個軌道上面上有4顆衛(wèi)星。地面監(jiān)控設(shè)備：由1個主控站（MasterControlStation）、4個地面注入站（GroundAntenna）和7個監(jiān)測站（MonitorStation）組成。GPS用戶，亦稱為GPS接收機。衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供用戶共享的信息資源。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)2.GPS定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)的組成第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)2.GPS定位系統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)主要特點覆蓋范圍廣，能全天候定位GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，空間分布均勻，能夠提供全球范圍的全天候連續(xù)三維定位。實現(xiàn)實時定位GPS定位系統(tǒng)可以實時確定運動載體的三維坐標、三維運動狀態(tài)。定位精度高GPS定位系統(tǒng)可以實時確定運動載體的三維坐標、三維運動狀態(tài)?？商峁┸娪煤兔裼梅?wù)精密定位服務(wù)只能由美國授權(quán)的軍方用戶和選定的政府機構(gòu)用戶使用。標準定位服務(wù)面向全球所有用戶且免收直接費用。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)3.BDS定位系統(tǒng)1.BDS定位系統(tǒng)組成空間段：空間段由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面段：地面段由主控站、注入站和監(jiān)測站組成。用戶段：用戶段即用戶終端，既可以是專用于BDS定位系統(tǒng)的接收機，也可以是同時兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機。BDS定位系統(tǒng)組成第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)3.BDS定位系統(tǒng)1.BDS定位系統(tǒng)組成第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)3.BDS定位系統(tǒng)BDS定位系統(tǒng)當前基本導(dǎo)航服務(wù)性能指標服務(wù)區(qū)域全球定位精度水平10米、高程10米（95%）測速精度0.2米每秒（95%）授時精度20納秒（95%）服務(wù)可用性優(yōu)于95%，在亞太地區(qū)，定位精度水平5米、高程5米（95%）短報文通信第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)3.BDS定位系統(tǒng)BDS與GPS之比較BDSGPSBDS在軌衛(wèi)星多GPS所用導(dǎo)航衛(wèi)星少，建設(shè)和維護成本低未來BDS定位精度會更高位置精度GPS略高BDS具有短報文功能，GPS無此功能BDS抗干擾能力更強授時精度二者相同，均為20納秒，測速精度相同，第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)差分全球定位系統(tǒng)（DGPS）是在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度；由基準站、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和移動站組成。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)

DGPS實際上是把一臺GPS接收機放在位置已精確測定的點上，組成基準站，基準站接收機通過接收GPS衛(wèi)星信號，將測得的位置與該固定位置的真實位置的差值作為公共誤差校正量，通過無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將該校正量傳送給移動站的接收機。移動站的接收機用該校正量對本地位置進行校正，最后得到厘米級的定位進度。附近的DGPS用戶接收到修正后的高精度定位信息，從而大大提高其定位精度。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)

根據(jù)DGPS基準站發(fā)送的信息方式可將DGPS定位分為三類，即位置差分、偽距差分和相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，都是由基準站發(fā)送改正數(shù)，由移動站接收并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)1.位置差分

位置差分是最簡單的差分方法，適合于所有GPS接收機。位置差分要求基準站和移動站觀測同一組衛(wèi)星。安裝在基準站上的GPS接收機觀測4顆衛(wèi)星后便可進行三維定位，解算出基準站的觀測坐標。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)1.位置差分

將已知坐標與觀測坐標之差作為位置改正數(shù)，通過基準站的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備發(fā)送出去，由移動站接收，并且對其解算的移動站坐標進行改正，最后得到的改正后的移動坐標已消去了基準站和移動站的共同誤差，提高了定位精度第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)2.偽距差分

偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。幾乎所有的商用DGPS接收機均采用這種技術(shù)。利用基準站已知坐標和衛(wèi)星星歷可計算出基準站與衛(wèi)星之間的計算距離，將計算距離與觀測距離之差作為改正數(shù)，發(fā)送給移動站，移動站利用此改正數(shù)來改正測量的偽距。最后，用戶利用改正后的偽距來解出本身的位置，就可消去公共誤差，提高定位精度。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)4.差分全球定位系統(tǒng)3.相位差分

相位差分技術(shù)是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的。它能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度定位。實現(xiàn)載波相位差分的方法分為修正法和差分法兩類。前者與偽距差分相同，基準站將載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標。后者將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶站進行求差，再解算坐標。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)5.GPS接收機GPS接收機芯片級板卡級終端級便攜式第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)5.GPS接收機主要構(gòu)成及工作原理：天線

天線由接收機天線和前置放大器兩部分所組成，其作用是將GPS衛(wèi)星發(fā)送的極微弱的電磁波信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，經(jīng)前置放大器予以放大。本機天線部分內(nèi)置主機中。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)5.GPS接收機2.主機

經(jīng)過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收機通道得到穩(wěn)定的高增益，采用變頻器使L頻段的射頻信號變成低頻信號；經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換和處理后的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移等傳送到內(nèi)存；主機內(nèi)設(shè)有存貯器或存貯卡以存貯衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星歷書等；主機內(nèi)CPU根據(jù)應(yīng)用需求，將計算結(jié)果在屏幕上顯示。第1講全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)6.GPS接收機3.電源電源有兩種，一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于RAM存貯器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。另一種為外接電源，常用可充電的12V直流鎘鎳電池組或汽車電瓶。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

5.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由慣性測量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）、計算機、控制顯示器組成。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

7.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

慣性測量單元包括3個相互正交的單軸加速度計（Accelerometer）和3個相互正交的單軸陀螺儀（Gyroscopes）。加速度計檢測車體在慣性坐標系統(tǒng)獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀檢測車體相對于導(dǎo)航坐標系的角速度信號。計算機根據(jù)測量的加速度信號計算出車體的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器用來顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

7.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

7.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

7.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組成

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以陀螺儀和加速度計為感知元件的導(dǎo)航參數(shù)解算系統(tǒng)，其工作原理如圖所示。該系統(tǒng)通過陀螺儀測量車體的角速度求解得到車體的姿態(tài)信息，再將加速度計測量得到的車體比力信息轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標系中進行加速度信息的積分運算，再利用車體先前的位置信息，就能推算出汽車的位置和姿態(tài)信息。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

從一個已知的坐標位置開始，根據(jù)載體在該點的航向、航速和航行時間，推算下一時刻該坐標位置的導(dǎo)航過程稱為航跡遞推。一維航跡遞推二維航跡遞推三維航跡遞推第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理（1）一維航跡遞推對于一維航跡遞推，考慮在如圖7-11所示的汽車直線（即在一個固定的方向）上移動的場景，要在這種情況下進行航跡遞推，只需要將一個加速度計安裝在汽車上，并使加速度計的敏感軸方向與汽車運動方向一致，即可得到速度和位置。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理（3）三維航跡遞推三維航跡遞推需要3個陀螺儀來測量載體相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)角速率，需要3個加速度計來測量載體相對慣性空間受到的比力。第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

第1講慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

8.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)原理

第1講多傳感器融合定位9.

GPS/DR組合導(dǎo)航定位

第1講多傳感器融合定位9.

GPS/DR組合導(dǎo)航定位

車輛航位推算（DR）方法是一種常用的自主式車輛定位技術(shù)，它不用發(fā)射接收信號，不受電磁波影響，機動靈活，只要車輛能達到的地方都能定位DR是利用載體上某一時刻的位置，根據(jù)航向和速度信息，推算得到當前時刻的位置，即根據(jù)實測的汽車行駛距離和航向計算其位置和行駛軌跡。它一般不受外界環(huán)境影響，但由于其本身誤差是隨時間積累的，單獨工作時不能長時間保持高精度第1講多傳感器融合定位9.

GPS/DR組合導(dǎo)航定位

第1講多傳感器融合定位

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GPS/IMU組合定位慣性測量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）是檢測加速度與旋轉(zhuǎn)運動的高頻（1KHz）傳感器，其主要由加速度計與角速度計組成。對IMU數(shù)據(jù)進行處理后可以得到車輛的位移與轉(zhuǎn)動信息，但是IMU自身存在偏差與噪音等問題。通過使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù)，可以融合GPS與IMU數(shù)據(jù)，各取所長，以達到較好的定位效果。第1講多傳感器融合定位

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GPS/IMU組合定位GPS/IMU組合定位系統(tǒng)一個相對精準但是低頻更新的GPS一個高頻更新但是精度隨著時間流逝而越發(fā)不穩(wěn)定的IMU一個基于卡爾曼濾波器的數(shù)學(xué)模型第1講多傳感器融合定位

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GPS/IMU組合定位如圖所示，首先需要在上一次位置估算的基礎(chǔ)上使用IMU對當前的位置進行實時預(yù)測。在得到新的GPS數(shù)據(jù)前，只能通過積分IMU的數(shù)據(jù)來預(yù)測當前位置。但是由于IMU的定位誤差會隨著運行時間增長，所以當接收到新的比較精準的GPS數(shù)據(jù)時，可以使用新的GPS數(shù)據(jù)對當前的位置進行預(yù)測更新。通過不斷地執(zhí)行這兩個步驟，可以對車輛進行準確地實時定位。第1講多傳感器融合定位

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GPS/IMU組合定位

在自動駕駛系統(tǒng)中，GPS的更新頻率一般為10Hz，IMU的更新頻率一般為100Hz。兩個傳感器共同工作時，可以給出頻率為100Hz的定位輸出，兩個傳感器的數(shù)據(jù)融合原理如圖所示。第1講多傳感器融合定位

11.GPS/IMU/DMI組合定位GPS/IMU/DMI組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)安裝了GPS、IMU、里程計、CCD像機等設(shè)備，在導(dǎo)航計算機中裝載可量測影像（DigitalMeasurableImage，DMI）數(shù)據(jù)庫、二維導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫和導(dǎo)航軟件。通過可量測影像與衛(wèi)星導(dǎo)航定位、慣性導(dǎo)航、里程計等集成，實現(xiàn)多源信息融合的導(dǎo)航定位。第1講多傳感器融合定位

11.GPS/IMU/DMI組合定位GPS/IMU/DMI組合定位技術(shù)框架第1講無線定位技術(shù)

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RSSI定位仿真

RSSI值

路徑損耗指數(shù)參考距離能量的變化第1講無線定位技術(shù)

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RSSI定位仿真根據(jù)式上式，可以得到信號強度與發(fā)射節(jié)點和接收節(jié)點兩個節(jié)點之間距離的關(guān)系，如圖所示。第1講無線定位技術(shù)

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RSSI定位仿真（2）RSSI定位仿真RSSI仿真結(jié)果圖第1講無線定位技術(shù)

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TOA定位仿真

第1講無線定位技術(shù)

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TOA定位仿真

第1講無線定位技術(shù)

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TOA定位仿真（2）TOA定位仿真TOA定位仿真第1講應(yīng)用實例

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接收機簡介TOA定位仿真簡介CGI-410是上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將衛(wèi)星定位與慣性測量相結(jié)合，推出的一款能夠提供多種導(dǎo)航參數(shù)的組合導(dǎo)航產(chǎn)品。產(chǎn)品在衛(wèi)星定位方面采用全系統(tǒng)多頻方案，具有全天候、全球覆蓋、高精度、高效率、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。第1講應(yīng)用實例

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接收機簡介TOA定位仿真簡介CGI-410是上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)將衛(wèi)星定位與慣性測量相結(jié)合，推出的一款能夠提供多種導(dǎo)航參數(shù)的組合導(dǎo)航產(chǎn)品。產(chǎn)品在衛(wèi)星定位方面采用全系統(tǒng)多頻方案，具有全天候、全球覆蓋、高精度、高效率、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點。第1講應(yīng)用實例

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接收機簡介2.產(chǎn)品特點采用高精度定位定向GNSS技術(shù)，支持555通道，支持GPS、GLONASS、BDS、GSNS等。采用高精度陀螺和加速度計，完善的組合導(dǎo)航算法，提供準確的姿態(tài)和厘米級位置信息。支持WIFI無線接入，支持網(wǎng)頁訪問，方便用戶配置。支持4G全網(wǎng)通第1講應(yīng)用實例

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接收機簡介2.產(chǎn)品特點最高支持100HZ數(shù)據(jù)更新率。支持外接里程計。IP67防水等級。緊湊的內(nèi)部減震技術(shù)，振動和沖擊適應(yīng)性強，可靠性高。第1講應(yīng)用實例

15.接收機用戶接口1.接收機主機和配件CGI-410接收機實物圖（正面）CGI-410前面板CGI-410后面板第1講應(yīng)用實例

15.接收機用戶接口2.數(shù)據(jù)線接口定義19PIN數(shù)據(jù)線主要包括3個RS232，1個RS422，1個CAN以及一個電源接口，如圖所示。數(shù)據(jù)線接口第1講應(yīng)用實例

15.接收機用戶接口3.數(shù)據(jù)協(xié)議（1）GPCHC數(shù)據(jù)協(xié)議

可以通過RS232C口以及RS422口輸出，默認波特率為230400（2）CAN數(shù)據(jù)協(xié)議CAN口默認波特率為500K，第1講應(yīng)用實例

15.接收機用戶接口3.輔助設(shè)備1）輔助硬件設(shè)備（1）通用設(shè)備：十字螺絲刀，應(yīng)用于SIM卡安裝。（2）測量設(shè)備：萬用表，可應(yīng)用電源電壓。（3）電源：推薦使用正規(guī)廠家適配器，或者電瓶。（4）通信電纜：DB9串口線，CAN線等。（5）電腦或者工控機。2）輔助軟件（1）串口調(diào)試工具：用于數(shù)據(jù)讀取和存儲。（2）瀏覽器：推薦使用谷歌瀏覽器或者微軟IE瀏覽器。（3）地圖：推薦使用googleearth。（4）RTKQC：可以直接查看路線軌跡。第1講應(yīng)用實例

16.接收機安裝1.連接方式CGI-410數(shù)據(jù)線連接方式如圖7-26所示，其中包含設(shè)備主機、GNSS天