GNSS-PA-Ch09-pp41.ppt

1、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)原理與應(yīng)用 Global Navigation Satellite System Principles and Applications,第09章 組合導(dǎo)航與網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS與INS組合 車輛傳感器集成 網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)原理與應(yīng)用 Global Navigation Satellite System Principles and Applications,第09章 組合導(dǎo)航與網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS與INS組合 車輛傳感器集成 網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,GNSS接收機(jī)與連續(xù)導(dǎo)航需求,GNSS接收機(jī)的實(shí)質(zhì) + (位置與速度)的離散時(shí)間傳感器 + 采樣間隔約為1s

2、 連續(xù)導(dǎo)航需求促進(jìn)GNSS集成各種附加傳感器 + GNSS接收機(jī)各次更新期間 + GNSS天線遮擋期間 + GNSS接收機(jī)受到干擾期間,附加傳感器,慣性傳感器(INS)：廣泛使用 + 多普勒測量儀 * 多普勒測速儀 * 多普勒測高儀 + 高度表 + 測速儀 + 里程表,組合導(dǎo)航方法,卡爾曼(Kalman)濾波器 + 使用最廣泛的附加傳感器組合方法 + 定義為一種估計(jì)方法 * 估計(jì)受高斯白噪聲擾動(dòng)的線性系統(tǒng)的瞬態(tài)特性 + 關(guān)鍵特性之一 * 提供使用間接測量值推斷信息的方法 + 不必直接讀取控制變量，能夠讀取間接測量值(包含相關(guān)噪聲)，并估計(jì)控制變量,組合導(dǎo)航方法,在GNSS應(yīng)用中，卡爾曼濾波器

3、* 控制變量有位置，速度，可能的高度誤差 * 間接測量值即GPS測量值,網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,在通信網(wǎng)絡(luò)中集成GPS傳感器相當(dāng)有益 + 手機(jī)內(nèi)置嵌入式GPS引擎用于 * 在突發(fā)事件中確定用戶位置 * 支持廣泛的基于位置的服務(wù)(LBS) + 不佳的使用環(huán)境 * 戶內(nèi) * 其他導(dǎo)致GPS信號高度衰減以致無法解調(diào)出GPS導(dǎo)航電文的區(qū)域,網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,借助于網(wǎng)絡(luò)輔助，則有可能確定手機(jī)的位置 + 網(wǎng)絡(luò)能夠獲取重捕獲GPS導(dǎo)航電文 * 具有清晰視場的GPS接收機(jī) * 其他來源 + 網(wǎng)絡(luò)能夠以多種方式輔助手機(jī)： * 提供授時(shí) * 粗略位置估計(jì) + 大幅提高嵌入式GPS接收機(jī)的靈敏度,GPS與INS組合導(dǎo)航,導(dǎo)航使用

4、GPS和INS是相互協(xié)作的關(guān)系 + 克服各自傳感器使用中發(fā)現(xiàn)的性能問題 + 產(chǎn)生性能超出各自傳感器性能的系統(tǒng) * GPS產(chǎn)生有界精度，而INS精度隨時(shí)間下降 * GPS確定導(dǎo)航誤差的邊界，且能夠標(biāo)定INS,導(dǎo)航中GPS與INS的性能問題,GPS的性能問題 + 對外部源干擾的敏感性 + 首次定位時(shí)間(首次定位解) + 遮擋導(dǎo)致的衛(wèi)星信號中斷 + 完好性 + 信號重捕獲能力 INS的性能問題 + 長期精度差 (未標(biāo)定和成本因素),GPS接收機(jī)的性能問題,使用GPS作為導(dǎo)航的單獨(dú)信號源 + 最關(guān)心的問題：信號中斷 + 地形和建筑物遮擋天線 * 建筑物 * 車輛結(jié)構(gòu) * 隧道 + 來自外部信號源的干擾

5、,GPS接收機(jī)的信號中斷效應(yīng)圖示,GPS接收機(jī)的性能問題,可視衛(wèi)星 + 數(shù)量降至3顆可視衛(wèi)星時(shí) * 恢復(fù)到二維(2D)導(dǎo)航，高度使用最后測量值 * 由外部傳感器獲取高度值 + 少于3顆可視衛(wèi)星時(shí) * 不輸出位置解 * 外推最后的位置與速度解 + 航位推算(DR) * Dead-Reckoning,GPS接收機(jī)的性能問題,GPS的離散輸出本質(zhì)是實(shí)時(shí)應(yīng)用中需要關(guān)注的，特別是關(guān)系到車輛控制。 信號遮蔽中斷，使用慣性傳感器(INS)提供導(dǎo)航 連續(xù)精密導(dǎo)航 + 慣性傳感器(INS) + 高更新速率輸出的GNSS接收機(jī) 商業(yè)航空應(yīng)用 + 需要注意完好性問題,動(dòng)態(tài)環(huán)境中GPS導(dǎo)航外推原理圖示,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與

6、慣性傳感器,慣性導(dǎo)航系統(tǒng) + 平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng)(Gimbaled) * 傳感器維持給定方位，與載體姿態(tài)變化隔離 + 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(Strapdown) * 傳感器與載體固聯(lián) 慣性傳感器 + 陀螺儀(Gyroscope) * 輸出與繞輸入軸的角運(yùn)動(dòng)的比例信號 + 加速度計(jì)(Accelerometer) * 輸出與沿輸入軸的速度變化的比例信號,慣性傳感器的性能問題,陀螺漂移 + 傳感器制造工藝缺陷導(dǎo)致的虛假輸出信號 + 決定慣性系統(tǒng)的性能的重要因素 GPS接收機(jī)對慣性子系統(tǒng)的作用 + 校準(zhǔn)慣性傳感器 + 組合的主要偏差 * 陀螺和加速度計(jì)偏差,導(dǎo)航精度比較圖示,GPS標(biāo)定前后的慣性導(dǎo)航圖示,卡爾曼濾波

7、器,卡爾曼(Kalman)濾波 + 系統(tǒng)誤差與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)合的統(tǒng)計(jì)技術(shù) + 表示為狀態(tài)空間模型，估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài) GNSS與INS組合 + 由卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn) + 提高GNSS接收機(jī)性能 + 組合方法：松組合與緊組合 組合導(dǎo)航濾波器 + 維持信號，縮短信號失鎖后的重捕時(shí)間 + 輔助接收機(jī)跟蹤環(huán)，拓展信號跟蹤門限,基本卡爾曼濾波器圖示,松組合GPSI系統(tǒng)原理圖示,緊組合GPSI系統(tǒng)原理圖示,組合導(dǎo)航考慮要素,狀態(tài) 轉(zhuǎn)移矩陣 測量矩陣 初始化 數(shù)據(jù)同步 載波環(huán)輔助 碼環(huán)輔助 跟蹤與組合導(dǎo)航,GPSI系統(tǒng)功能框圖,可靠性與完好性,精確確定GNSS接收機(jī)失鎖發(fā)生點(diǎn)很困難，需要防止差錯(cuò)測量值進(jìn)入濾波器。 利用

8、濾波器處理，比較GNSS信號觀測誤差與預(yù)測協(xié)方差，觀察處理觀測值是否在合理范圍內(nèi)。 大多不良測量值是由GNSS信號的擾動(dòng)引起，導(dǎo)致接收GNSS信號功率電平改變。 計(jì)算各個(gè)GNSS周期內(nèi)接收到的功率電平，與設(shè)定的功率電平門限比較，識別信號擾動(dòng)。 當(dāng)測量功率電平超出門限時(shí)，宣布為不良測量值，濾波器不使用。,FRPA與CRPA的天線場型圖示,七單元CRPA天線布局圖示,集成CRPA天線框圖圖示,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)原理與應(yīng)用 Global Navigation Satellite System Principles and Applications,第09章 組合導(dǎo)航與網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS與IN

9、S組合 車輛傳感器集成 網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,陸地車輛組合導(dǎo)航,常規(guī)車輛導(dǎo)航系統(tǒng) + 司機(jī)輔助導(dǎo)航 常規(guī)車輛跟蹤系統(tǒng) + 反向地理編碼 + 無線數(shù)據(jù)傳輸 常規(guī)緊急消息系統(tǒng) + 車載信息(Telematics) + 撞車通知，路邊援助 + 盜竊跟蹤，方向輔助,常規(guī)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)圖示,常規(guī)車輛跟蹤系統(tǒng)圖示,常規(guī)緊急消息系統(tǒng)圖示,可用傳感器技術(shù)總結(jié),慣性系統(tǒng)與傳感器 + 航位推算(DR) 地圖數(shù)據(jù)庫 GNSS 變速器與車輪傳感器 氣壓高度表 磁羅計(jì),傳感器組合原理,位置域與測量域組合 常規(guī)的卡爾曼濾波器,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)原理與應(yīng)用 Global Navigation Satellite System Principles and Applications,第09章 組合導(dǎo)航與網(wǎng)絡(luò)輔助 GPS與INS組合 車輛傳感器集成 網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,網(wǎng)絡(luò)輔助導(dǎo)航,網(wǎng)絡(luò)輔助的需求 + 降低產(chǎn)生定位解的時(shí)間 + 提高接收機(jī)靈敏度