GPS/DR/MM组合系统在车辆导航中的应用研究
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摘要
近年来随着微电子技术的发展使得GPS接收机的价格大幅度下降，同时美国提前关闭SA停止对民间用户精度的限制使得GPS民用定位精度有了很大的提高，这大大促进了GPS在民用领域的发展，尤其是在车辆导航领域，GPS系统充分展示了它那优越的导航性能。GPS在车辆导航上的应用已经成为GPS应用领域的最大的一个产业。装载导航系统的车辆，大部分行驶在市区当中。然而，GPS的工作严重地受到一些市区特定环境的影响，甚至无法完成定位。因此，本文着重研究了GPS/DR组合导航系统，以实现连续、实时的市区导航，同时，为了向驾驶者提供近于无误差的定位结果，本文研究了地图匹配方法。
本文分析了车辆定位与导航系统的发展，及自主式与中心式车辆导航系统的系统结构和系统要求。分析了GPS在车辆导航中可采用的导航方式，研究了车辆导航用GPS系统的定位解算方法及精度分析并进行了仿真，分析了GPS系统在车辆导航中的主要误差，详细论述了消除多路径误差的方法。分析了航位推算系统的基本定位原理，介绍了几种可采用的航位推算传感器的原理及其误差。
为了实现市区环境下的连续、实时的车辆导航，本文设计了实现车载GPS/DR组合导航系统最优综合的联合卡尔曼滤波器，并给出了滤波算法。提出了一种自适应联合卡尔曼滤波器结构及其算法，并应用于GPS/DR组合导航系统的最优综合校正中。理论分析及计算机仿真结果均表明，应用该自适应联合卡尔曼滤波器可大大提高车载GPS/DR组合导航系统的定位精度及容错能力。
为了向驾驶者提供近于无误差的定位结果，本文分析了车辆导航用数字地图的编码，研究了两种地图匹配方法：基于概率统计的地图匹配方法和基于数字地图编码与方位信息结合的地图匹配方法。
本文设计了车辆导航系统仿真软件。实现了简单的GIS系统，市区环境的GPS系统仿真、单独GPS定位仿真、单独DR系统定位仿真、GPS/DR组合系统的仿真。软件具有一定的实用价值。
In recent years, with the development of the micro-electronics technique, the price of GPS receiver have been greatly falling , and as a result of the United States closing SA to stop limiting the public position accuracy of GPS , the GPS positioning accuracy have improved greatly in public field. All this consumedly promote the development of GPS in public field, and especially in the vehicle navigation field , GPS shows its superiorly navigation performance. The GPS applied to the vehicle navigation have already become one of the biggest industry in GPS application field. The vehicle loaded the navigation system run mostly in the downtown. However, the GPS' work would suffer seriously the influence of the particular environment in the downtown, and can't so much as complete the positioning. So this paper study mainly the design of the GPS/DR integrated vehicular navigation system in order to realizing continuous and Real-time navigation in the downtown. At the same time, for providing the result of positio
ning that have no error nearly for drivers, this paper study the method of map matching.
This paper analyze the development of the vehicle positioning and navigation system, and the system configuration and request of autonomic navigation system and central navigation system. The GPS positioning modes that can be introduced in the vehicle navigation system are analyzed, the navigation algorithm and accuracy of GPS vehicle navigation system are studied .and it is proved by simulation. The main errors that influent the positioning accuracy are analyzed, and the method of lowering the effects of multipath is discussed. The basic principle of Dead Reckonning system is analyzed, and the principle and errors of a few adoptab'e DR sensors are introduced .
For realizing continuous and Real-time navigation in the downtown, A federated Kalman filter mechanization to realize the optimal synthesis of GPS/DR integrated navigation system is designed first, and its algorithm is presented. Moreover, an adaptive federated Kalman filter mechanization and its algorithm is proposed for GPS/DR integrated vehicle navigation system. The theoretical analysis and simulation results all show that the positioning accuracy and redundancy of the GPS/DR integrated navigation system can be greatly improved by using the adaptive federated Kalman filter.
For providing the result of positioning that have no error nearly for drivers, this paper analyze the coding of digital map used to vehicle navigation , and studied two method of map matching: the method of map matching based on probability and the method of map matching based on the coding of digital map and direction information.
Finally, simulation software used to study vehicle navigation was designed. Realized simple GIS system, downtown environment simulation, sole GPS positioning simulation, sole DR system simulation , GPS/ DR integrated system simulation .The software has a certain practical value.
本文分析了车辆定位与导航系统的发展，及自主式与中心式车辆导航系统的系统结构和系统要求。分析了GPS在车辆导航中可采用的导航方式，研究了车辆导航用GPS系统的定位解算方法及精度分析并进行了仿真，分析了GPS系统在车辆导航中的主要误差，详细论述了消除多路径误差的方法。分析了航位推算系统的基本定位原理，介绍了几种可采用的航位推算传感器的原理及其误差。
为了实现市区环境下的连续、实时的车辆导航，本文设计了实现车载GPS/DR组合导航系统最优综合的联合卡尔曼滤波器，并给出了滤波算法。提出了一种自适应联合卡尔曼滤波器结构及其算法，并应用于GPS/DR组合导航系统的最优综合校正中。理论分析及计算机仿真结果均表明，应用该自适应联合卡尔曼滤波器可大大提高车载GPS/DR组合导航系统的定位精度及容错能力。
为了向驾驶者提供近于无误差的定位结果，本文分析了车辆导航用数字地图的编码，研究了两种地图匹配方法：基于概率统计的地图匹配方法和基于数字地图编码与方位信息结合的地图匹配方法。
本文设计了车辆导航系统仿真软件。实现了简单的GIS系统，市区环境的GPS系统仿真、单独GPS定位仿真、单独DR系统定位仿真、GPS/DR组合系统的仿真。软件具有一定的实用价值。
In recent years, with the development of the micro-electronics technique, the price of GPS receiver have been greatly falling , and as a result of the United States closing SA to stop limiting the public position accuracy of GPS , the GPS positioning accuracy have improved greatly in public field. All this consumedly promote the development of GPS in public field, and especially in the vehicle navigation field , GPS shows its superiorly navigation performance. The GPS applied to the vehicle navigation have already become one of the biggest industry in GPS application field. The vehicle loaded the navigation system run mostly in the downtown. However, the GPS' work would suffer seriously the influence of the particular environment in the downtown, and can't so much as complete the positioning. So this paper study mainly the design of the GPS/DR integrated vehicular navigation system in order to realizing continuous and Real-time navigation in the downtown. At the same time, for providing the result of positio
ning that have no error nearly for drivers, this paper study the method of map matching.
This paper analyze the development of the vehicle positioning and navigation system, and the system configuration and request of autonomic navigation system and central navigation system. The GPS positioning modes that can be introduced in the vehicle navigation system are analyzed, the navigation algorithm and accuracy of GPS vehicle navigation system are studied .and it is proved by simulation. The main errors that influent the positioning accuracy are analyzed, and the method of lowering the effects of multipath is discussed. The basic principle of Dead Reckonning system is analyzed, and the principle and errors of a few adoptab'e DR sensors are introduced .
For realizing continuous and Real-time navigation in the downtown, A federated Kalman filter mechanization to realize the optimal synthesis of GPS/DR integrated navigation system is designed first, and its algorithm is presented. Moreover, an adaptive federated Kalman filter mechanization and its algorithm is proposed for GPS/DR integrated vehicle navigation system. The theoretical analysis and simulation results all show that the positioning accuracy and redundancy of the GPS/DR integrated navigation system can be greatly improved by using the adaptive federated Kalman filter.
For providing the result of positioning that have no error nearly for drivers, this paper analyze the coding of digital map used to vehicle navigation , and studied two method of map matching: the method of map matching based on probability and the method of map matching based on the coding of digital map and direction information.
Finally, simulation software used to study vehicle navigation was designed. Realized simple GIS system, downtown environment simulation, sole GPS positioning simulation, sole DR system simulation , GPS/ DR integrated system simulation .The software has a certain practical value.
引文
[1]赵亦林[美]著，谭国甄译，车辆定位与导航系统，北京：电子工业出版社，1999
[2]袁建平、方群、郑鄂著，GPS在飞行器定位导航中的应用，西安：西北工业大学出版社，2000
[3]袁信，俞济祥，陈哲编著，导航系统，北京：航空工业出版社，1993
[4]方群、袁建平、郑鄂编著，卫星定位导航基础，西安：西北工业大学出版社，1999
[5]秦永元、张洪钺，汪淑华编著，卡尔曼滤波与组合导航原理，西安：西北工业大学出版社，1998
[6]Intelligent Transportation Society of America, Access ITS America, http://www.Itsa.org
[7]H.A. Carlson, "Federated Kalman Filter Simulation Results", Navigation : J.Institute of Navigation, Vol. 41, No. 3,Fall 1994,pp. 297-321
[8]W. Waltz and J. Llinas, Multisensor Data Fusion, Norwood, MA: Artech House,1990
[9]J. Cisneros, D. Delley, and I. A. Greenbaum ," An Urban Positioning Approach Applying Differential Methods to Commercial FM Radio Emissions for Ground Mobile Usc, "Proc. ION 50th Annual Meeting .June 1994,pp .83,92
[10]W.C. Spelman, "Entertainment and Information Merge in the Automobile ," IEEE Vehicular Technol. Soc. News Feb. 1996,pp, 49-55
[11]M. Sushko, "Vehicle GPS Positioning Over Cellular Networks," ION Proc, 1994 National Technical Meeting, Jan, 1994,pp. 261-275
[12]陈建春编著，Visual C++开发GIS系统—开发实例剖析，北京：电子工业出版社，2000
[13]毋河海、龚建雅编著，地理信息系统(GIS)空间数据结构与处理技术，北京：测绘出版社，1997
[14]周忠谟、易杰军、周琪编著，GPS卫星测量原理与应用(修订版)，北京：测绘出版社，1997
[15]王解先、季善标、刘大杰，GPS伪距动态定位计算模型，同济大学学报，1999年10月第27卷第5期
[16]刘建业，袁信，GPS／惯性组合导航开发系统，导航，No．4，Dec．1994
[17]吴旭彦、罗德安，GPS实时地图匹配技术中缓冲区分析的研究，西南交通大学学报，No．2,Apr．2001
[18]赵恒勇，微型计算机图形处理基础及实用图形软件的开发，北京：航空工业车办社，1991
[19]陈皓生、徐军、李疆，HMR3000数字罗盘在微型飞行器中的应用，传感器技术，2001年第20卷第9期
[20]董绪荣、孟庆杰、任宇飞，车辆GPS／DR组合导航方法研究，指挥技术学院，No．3，June．2001
[21]常青等，车载GPS／DR组合导航系统数据融合算法研究，通信学报，No．2，Feb．2000
[22]周宏仁、敬忠良、王培德，机动目标跟踪，北京：国防工业出版社，1991
[23]王立冬、贾英江，磁罗盘及其在车辆导航中的应用，测控技术，2000年19卷第8期
[24]孙永荣、刘建业等，基于自适应滤波的车载DR系统研究，南京航空航天大学学报，No．4，Aug．2000
[25]柏刚、万德钧等，联合卡尔曼滤波在GPS／DR车辆导航系统中的应用，东南大学学报，1999年第29卷第2期
[26]房建成、申功勋、万德钧，一种自适应联合卡尔曼滤波器及其在车载GPS／DR组合导航系统中的应用研究，中国惯性技术学报，1998年第6卷第4期
[27]王艳丽，数字地图的生成和加载技术研究，西安：西北工业大学硕士学位论文，2000
[28]安宁，基于卫星定位的组合系统在移动目标监控中的应用研究，西安：西北工业大学硕士学位论文，1999
[29]曹松，GPS的所有可见星定位，导航，2001年第37卷第4期
[30]邱致和、李进华，对美国停止使用GPS选择可用性的一些看法，导航，2001年第37卷第1期
[31]Volkmar Held、Klaus-Dicter Kriicke，一种都市陆用GPS／航位推测组合导航系统，导航，No．3，Autumn．1986
[32]袁信、王燕萍，GPS星座仿真及最佳星选择，导航，No．2，Summer．1988
[33]董辉编，汽车用传感器，北京：北京理工大学出版社，2000
[34]宋茂忠，用加权几何精度因子选星的GPS抗多径定位方法，南京航空航天大学学报，2000年第32卷第5期
[35]宋茂忠，提高GPS定位精度的数据处理技术，数据采集与处理，2001年16卷第2期
[36]宋茂忠，提高GPS选星仰角门限抗多径干扰方法，电波科学学报，1999年14卷第3期
[37]张孟阳、吕保维、宋文淼，GPS系统中的多径效应分析，电子学报，1998年26卷第3期
[38]魏兴涛、朱才连，车辆定位与导航系统中的数字地图，微型电脑应用，2000 Vol．16 NO．3
[39]郭加俭，我国GPS车辆定位管理系统的现状与发展方向探讨，全球定位系统，2001、4期
[40]曹冲，我国GPS车辆应用系统的产业化前景分析和市场展望，全球定位系统，2001、4期
[41]R.A.Nayak,M.E.Cannon,C .Wilson,G Zhang,Use of Multiple GPS Antennas And A Low Cost IMU for Reliable And Continuous Urban Navigation,ION GPS'2001
[42]Hung Seok Seo,Jae Ho Lee,A decoupled GPS／DR integration Kalman filter utilizing carrier measurement[A],ION GPS'99,1179-1186
[43]周琼、宋子善、沈为群，一种SINS／GPS组合导航系统的数字仿真方法，计算机仿真，2001年11月第18卷第6期
[44]徐士良，C常用算法程序集(第二版)，北京：清华大学出版社，1996
[45]David J.Kruglinski、Scot Wingo、George Shepherd著，希望图书创作室译，Visual C++6.0技术内幕(第五版)，北京：北京希望电脑公司
[2]袁建平、方群、郑鄂著，GPS在飞行器定位导航中的应用，西安：西北工业大学出版社，2000
[3]袁信，俞济祥，陈哲编著，导航系统，北京：航空工业出版社，1993
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[40]曹冲，我国GPS车辆应用系统的产业化前景分析和市场展望，全球定位系统，2001、4期
[41]R.A.Nayak,M.E.Cannon,C .Wilson,G Zhang,Use of Multiple GPS Antennas And A Low Cost IMU for Reliable And Continuous Urban Navigation,ION GPS'2001
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[44]徐士良，C常用算法程序集(第二版)，北京：清华大学出版社，1996
[45]David J.Kruglinski、Scot Wingo、George Shepherd著，希望图书创作室译，Visual C++6.0技术内幕(第五版)，北京：北京希望电脑公司