运载工具导航

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1、第五章组合式导航系统1概述GPS定位系统可以为用户提供三维位置、三维速度以及时间信息，且其定位误差不随时间积累。但是，GPS定位系统也存在着一些不足之处：（1）星座对地球覆盖不完善，存在着所谓的“间隙区”；（2）由于GPS是一种无线电导航系统，它需要对卫星有直接可见性。城市的高楼、树荫等障碍物可能导致位置信息的暂时丢失，重新捕获后定位需要一个稳定过程；（3）多路径效应的影响十分复杂。在城市中行驶的车辆接收到的GPS信号不仅包括正常的信号，而且也包含高楼或其他物体折射过来的微弱信号，这种多路径引起的定

2、位误差有时会严重影响导航系统的定位性能；（4）计算的复杂性，使GPS接收机只能用于有限的动态范围。基于以上的不足，目前的GPS并不是一种完备的导航设备。因此，需要将GPS与其它导航技术（如惯性导航系统/InertialNavigationSystem,INS）结合起来，形成组合式导航系统，可以解决在GPS定位盲区无法定位的问题；同时GPS的应用往往需要与GIS相结合。25.1GPS/DR组合导航5.1GPS/DR组合导航5.1.1DR(DeadReckoning)航位推算系统的基本原理航位推算方法是

3、一种常用的自主式车辆定位技术。在这种方法中采用距离传感器和角度传感器来测量位移矢量和角位移矢量，从而推算出车辆的瞬时位置，如图5-1所示。车辆在时刻位置可表示为：（5-1）图５－１　航位推算原理35.1GPS/DR组合导航其中，是车辆在时刻的初始位置，为车辆在时刻的位置，,分别是车辆从时刻的位置到时刻位置的位移矢量的长度和绝对航向。相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用表示。若给出了时刻的相对航向测量值，则时刻的车辆的绝对航向可以用公式（5-2）算出。（5-2）在车辆导航系统中，里程表通常用来测量车

4、辆行进的距离，速率陀螺用来测量车辆的相对航向。由于航位推算是一个累积的过程，因此，所有传感器的误差均会造成位置误差的累积，使得定位精度降低。45.1GPS/DR组合导航根据航位推算方法进行位置推算，其产生定位误差累积的主要原因如下：1）里程表误差，由于轮胎的充气程度不同、车速的变化、轮胎的磨损、载荷的大小、道路状况的影响、车轮打滑和弹跳及车辆转弯等造成测量距离误差；2）角速率陀螺存在误差漂移，且随时间而积累；3）方向误差，由于载体的姿态变化（非水平时）引入的方向误差。为了减小累积误差，可采用GPS/

5、INS组合式导航系统，利用GPS精确定位信息对导航传感器的误差进行校正。尽管航位推算系统的定位会产生误差累积，但它属于自主式车辆定位，当GPS接收机收不到定位信号而无法进行定位时，航位推算系统可继续定位工作，从而提高整个导航系统的可靠性。55.1GPS/DR组合导航5.1.2GPS/DR组合导航单纯用GPS或DR进行导航都用各自的不足。如果将这两种导航方式以适当的方法组合起来，就能互相弥补缺陷，提高系统的整体导航精度及导航性能。。实现GPS和INS的组合方案：常用的方法是基于卡尔曼滤波器(Kalma

6、nfilter)的组合方法。在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，达到系统组合的目的。65.1GPS/DR组合导航5.1.3GPS和DR数据融合当车辆行驶到隧道、山区等遮挡较严重的地带时，高精度GPS信号将丢失或精度降低，而失去定位信息。图５－２　ＧＰＳ信号丢失75.1GPS/DR组合导航DR是自主式定位，在GPS信号丢失时仍能保证连续定位。图５－３　ＤＲ定位85.1GPS/DR组合导航但是，DR的绝对定位精度不高，所以只能作为高精度

7、定位的补充。用连续的DR信息补充不连续的GPS信息，其原理就是在相同的GPS时间下两种定位方法测得的点是对应的。用低精度DR数据补充高精度GPS数据时，还不能直接用原始DR数据，如果那样的话虽然断的地方有数据，但并没有真正地把路线接上，补上的一段明显与其他点有偏移。较好的办法是利用重复的定位信息，根据类似于最小二乘法的原理把DR定位值总体平移，使每个点与GPS定位点最接近。设经度平移量为，纬度平移量为，分别表示高精度经纬度值，分别表示低精度经纬度，n为重复点的个数，公式推导如下：（5-3）95.1G

8、PS/DR组合导航要使式（5-3）取最小值，则同理105.1GPS/DR组合导航根据以上公式求得△x,△y，把DR数据平移后再补充进高精度数据就得到较理想的连续的定位数据：图５－４　ＧＰＳ与ＤＲ信息融合115.2GPS/GIS合成系统5．2GPS/GIS合成系统地理信息系统GIS（geographyinformationsystem），是以研究地理空间信息分布为对象的科学。GPS技术与GIS的合成，为GPS的普及应用提供了最佳的发展空间。虽然GPS可以地给出目标的位置