航位推算法在导航定位中的仿真研究

1南京理工大学机械工程学院研究生研究型课程考试答卷课程名称：导航定位技术考试形式：□专题研究报告□论文√大作业□综合考试考试题目：航位推算法在导航定位中仿真研究学生姓名：张涛学号：114101000147序号分项类别分值1论文格式2原理介绍3坐标变换4仿真图5字数6数据分析78总分评阅人：张爱军时间：2015年6月15日2航位推算法在导航定位中仿真研究（张涛114101000147）摘要：随着社会信息化的不断发展，导航定位技术的日益改进，其中的航位推算法已经用于各种领域。文中实验利用GPS接收器与电子罗盘进行DR航位推算能够准确对航位进行实时检测监控，并对这种基于电子罗盘模拟DR航位推算进行实验仿真研究，然后利用DR算法以及相应的坐标转换算法对数据进行处理，本文利用MATLAB软件模拟了经过坐标变换后的定位图，并对误差进行了分析。关键词：GPS，DR算法，电子罗盘，定位一、引言在车辆定位、导航中,由于高架、隧道、立交桥、停车库等原因，天空的可见视野经常被阻挡或是由于城市大建筑物反射卫星信号导致严重的多径效应，结果使得车辆无法获得准确定位信息；在山区、丛林地带也存在同样问题；为了解决这个问题，在车辆上加装车辆角度的变化和速度变化的测量装置，通过航位推算法来自主确定车辆的位置；同时根据卫星信号良好接收时的定位数据、电子地图及位置固定的信标机信号来校准车辆位置和运动方向，来消除航位推算法累计误差,这就是组合定位技术；组合定位技术的应用能在复杂的环境中提供连续、准确、有效的定位数据。目前，对于陆用车辆定位来说，较常用的定位方式有利用全球定位系统（GobalPositionSystem,GPS）和航位推算（DeadReckoning,DR）两种。GPS定位具有全球地面连续覆盖、定位精度高和抗干扰能力强等诸多优点，用户只需要利用GPS接收机就可以方便的得到车辆的三维位置、速度和时间等信息。但当车辆行使在市区高层建筑物、隧道等特殊区域时，会造成GPS卫星信号的质量下降，甚至中断；造成定位误差增大和定位的不连续。DR定位是一种完全自助式的定位方法，其原理主要是利用航向传感器和距离传感器实时检测车辆的航向角和位移，从而推算出车辆的位置信息，具有短时间定位精度高、自主行强等特点。由DR的定位原理可知，DR的推算过程其实是一个信息累加的过程。随着时间的推移，航向传感器和位置传感器的测量误差会使定位误差不断累积加大。因此，3需选用高精度的DR传感器来提高测量精度。但是，这必然会提升定位系统的成本，而成本问题是目前影响定位系统普及和发展的一个主要问题。因此，选用低成本的DR传感器，充分利用GPS和DR两种定位方式优势，相互补充校正的GPS/DR组合定位方式成为一种必然的选择。二、GPS模块GPS系统之所以可以导航，是因为它可以在1575.42MHz这个频段上接收来自太空中导航卫星的信号，在没有遮挡的开阔地上，根据经纬度、海拔和时间不同(即星历不同)，最多可以同时收到8～12颗卫星的GPS信号。而在日常生活的都市中则只能同时接收到3到7颗卫星信号。接下来的事情就很简单了，当能够同时接收到来自3颗以上卫星的GPS信号时，GPS接收机就可以确定经纬度坐标(ddd.mm.ss,度.分.秒)。结合电子地图，您就可以知道自己身处何方了。如果能接收到4颗以上卫星的GPS信号，GPS接收机可以测算出海拔高度。当能够接收5～7颗星，误差范围一般可以控制在6.2m以内。GPS定位信息一般每秒钟更新一次，通过计算单位时间内GPS定位坐标的变化，GPS就可以计算运动速度了。本文使用GPS模块主要是为了获得一个初始点BLH坐标，综合考虑各种因素选用了JAVAD公司推出的产品JGG100GPS接收板卡。JGG100具有两个中央处理器，均是基于JAVAD公司独创的JNSCORE®芯片技术。其中一个处理器用来计算大量、高速输出的定位数据和原始数据，另一个处理器用来作为用户接口处理。JGG100具有非常小的体积，类似JAVADJGG20，完全可以被集成在狭小的空间里。这种接收板预计能够被一些高端用户所看好，以前很多用户提出需要高速出率的接收机，但寻遍整个市场，无人能够提供。这之前的JAVAD的产品最高更新率是20次/秒。技术指标：*尺寸：88x57x15mm4*工作温度：-30℃-+75℃*储存温度：-40℃-+85℃*电压：6.5-40VDC*功耗：0.8W(典型值)跟踪性能：*50通道，GPSL1，WAAS/EGNOS,INMARSAT，GLONASSS*具有共同跟踪环专利技术*引入多径抑制的独特算法*可跟踪强度低达+30dB*Hz的信号*高达30g'S的动态性能数据特性：*定位数据和原始数据的输出速率最大可达100Hz*具有多基站RTCM输入/输出功能*10cm的码相位和0.1mm载波相位定位精度输入/输出：*4个RS232串行口，通信速率最高可达115.2Kbps*1个有事件标志输入*1PPS输出(TTL)同步于GPS,UTC或GLONASS时钟，精度20ns*2个LED指示灯驱动功能电气特性：*工作电压范围宽（6.5-40V），不需要单独的电源板*所有的功能都工作时，功耗低于0.8W(典型值)*高可靠性、高集成性,高可扩展性*在板锂电池，保证星历信息10年不丢失JGG100的输出语句格式为$GPALM,$GPGGA,$GPGGA,$GPGSV,$GPRMC等。根据系统的需要，采用$GPGGA输出数据格式，其结构如下：$GPGGA,(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，(10)，(11)，(12)，(13)，(14)，*hhCRLF其中：(1)确定位置的UTC时间，hhmmss格式。(2)纬度，ddmm.mmm格式(数据头被传送)。5(3)半球纬度N(北纬)或S(南纬)。(4)经度，dddmm.mmm格式(数据头被传送)。(5)半球经度E(东经)或W(西经)。(6)GPS卫星性能指示，0=未定位，1=单点定位，无差分GPS定位2=差分GPS定位(DGPS)。(7)可使用卫星数，00到12(数据头被传送)。(8)水平离散精度，1.0到99.9。(9)天线的海拔高度，-999.9到9999.9米。(10)海拔高度，-999.9到9999.9米。(11)大地椭球面相对于海平面的高度g.g(-9999.9~9999.9，单位：m):20.6m。(12)几个大写的M都代表单位为米。(13)差分GPS(RTCM-SC104)数据生命周期，实时GPS时则为无。(14)差分基站的ID号(0~1024的一个整数值)，非差分为空。*hh为总的校验和CRLF为回车，换行符。三、DR导航航位推算(Dead-Reckoning,简称DR)是一种常用的车辆导航定位技术,相应的航位推算导航的基本原理是利用车辆的航向信息和速度信息来推算车辆下一时刻的位置。3.1航位推算必要性GPS定位系统能够提供高精度的、全天候的、实时的定位信息。但在某些特殊地区，GPS信号可能受到阻碍或者受到多路效应的影响，所以仅仅靠GPS来进行导航定位有时不能达到很好的精度，人们就此提出了组合导航定位方式，如GPS/NIS、GPS心R、GPS心R/DM，等等。其中，航位推算(简称DR)技术，被广泛应用于车辆导航定位中，虽然人们一般并不强调它的重要性，但是，尽管各种现代导航系统(比如卫星导航、无线电导航等)的应用范围日益扩大，航位推6算的作用却仍然不能忽略，因为它有四个独特的优点：①可不受干扰地随时定位，不像无线电导航、卫星导航系统，经常在需要精确定位的时候，却因收不到信号而无法定位；②高动态性，由于计算机的复杂性，即使现代的GPS接收机也只有每秒一个的位置更新，因此只能适用于有限的动态范围，而航位推算法至少要比它快20倍；③能直接给出DR载体的距离和方向信息；④造价较低。上述四点使航位推算法在导航定位中处于一种独特的地位。3.2航位推算原理DR是经典的独立定位技术。如果其起始位置和以前所有时刻的位移已知，则通过在初始位置上累加位移矢量的方法可以计算出物体的当莳位胃，这就是DR定位的原理。航位推篼系统实际上是一个简化了的惯性导航系统，它依靠惯性传感器来拾取车辆的位移信息、航向信息以及高度信息。以车辆导航为例简述航位推算法的基本原理。将车辆的运动看成平面二维运动，已知车辆起始点的位置和方向角，根据行驶的距离及角度变化可以推算出下一点的位置，设车辆的起始位置和初始方位角已知，再通过实时测量车辆行驶的距离S和方位角的变化量，就可以推算出车辆下一时刻的位置【4】。具体算法如下：图1航位推算原理图（1）以此推算得：7（2）由上面的算法可以看出:①航位推算系统工作需要实时测得前后时间距离的变化量S和；②航位推算系统本身不能确定车辆的初始时刻的位置和航向角，需要借助其他定位手段来得到航位推算系统的初始值，在GPS/DR组合定位系统中，可以通过GPS定位来标定航位推算系统的初始值；③航位推算实质上是一个信息累加的过程，不同时刻的测量误差和计算误差会累积起来，随着时间的推移，航位推算系统的误差是一个发散的过程，所以航位推算不能用于长时间的单独定位，需要借助其他的定位手段对累积误差进行补偿，在GPS/DR组合定位系统中，GPS定位正是起到这样一个作用。3.3航位推算误差分析航位推算是一个累加的过程，由于这种累加会把不同时刻的测量误差和计算误差都累积起来，所以随着时间的推移，航位推算系统的误差是一个发散的过程，由其推算出的载体位置和载体实际位置间的距离误差必然发散【9】。所有传感器的误差均会造成位置误差的积累，使得定位精度降低。影响电子罗盘定向精度的因素主要由以下6种：①电子罗盘转换的分辨率；②温度影响；③磁传感器误差；④地球磁场的变化；⑤电子罗盘的倾斜误差；⑥使用环境的铁磁介质引起的磁场变化。由于三维电子罗盘是根据地磁原理计算磁航向角，降低或消除外界干扰磁场对其输出精度的影响，是在工程应用中必须解决的问题。影响电子罗盘定向精度的因素很多，如磁传感器的安装误差、磁罗盘装置自身存在的数据采集与转换误差（统称为电器误差），多轴磁传感器存在的非正交误差、干扰磁场引起的磁罗差等。三维电子罗盘中使用的传感器有：三维磁阻传感器和二维倾角传感器。其8中，磁阻传感器测量地球磁场，倾角传感器测量罗盘的姿态。输出的指向是罗盘指北轴线在水平面的投影和地磁北线在地面投影的夹角。航位推算的误差主要有两个方面:一是由算法本身和外界环境引起的系统误差，包括安装误差，初始航向角误差和初始位置误差等；二是来自于导航传感器的误差，主要是电子罗盘和车辆里程计带来的误差。本文只用了电子罗盘，电子罗盘是利用电磁场来测量航向角的。电子罗盘航向角的输出易受到外界环境的干扰而精度降低，并且真实北极与磁北极并不是重合的，它们的差值会随时间和位置的变化而变化。对罗盘进行标定，误差补偿可以减少这些误差。四、电子罗盘介绍上文提到了要用电子罗盘来对GPS信号进行补偿，以此来保证导航定向信息100%有效，即使是在GPS信号失锁后也能正常工作，做到“丢星不丢向”。在DR导航系统中常用的角度测量传感器有罗盘和角速率陀螺，相对于角速率陀螺仪，罗盘的价格会低很多，并且合适的罗盘能够满足车载导航对精度和速度的需求，所以本文的角度测量选用罗盘。4.1电子罗盘的工作原理罗盘是利用地磁场来寻找北极的，地球的磁场强度大约为0.5-0.6高斯，并且具有一个始终指向地球的磁北极并且平行于地球表面的成分，这为制造磁罗盘提供了理论基础。大多数电子罗盘的组成包括两轴倾斜传感器、三轴磁阻传感器、模数转换电路和微处理器。两轴倾斜传感器用来测量罗盘的姿态角，三轴传感器用来测量三维空间中相互垂直的3个方向的磁场分量，测量的姿态角和磁场分量通过模数转换器进行转换后进入微处理器进行处理和误差补偿，最后通过端口输出。其组成原理框图如图2.1所示，测量示意图如图2.2所示。9图2.1罗盘原理框图图2.2罗盘测量示意图设电子罗盘测得的地球磁场强度分量为X、Y、Z,俯仰角为θ，横滚角为γ，将X、Y、