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原文传递基于GPS/DR紧组合车载导航系统研究及实现

论文题名：	基于GPS/DR紧组合车载导航系统研究及实现
关键词：	车载导航系统;全球定位系统;航位推算;紧组合;地图匹配;接收机
摘要：	车载智能导航系统作为智能交通系统(Intelligence Transportation System,ITS)的重要组成部分,在提高现代交通系统的运行能力和改善交通状况中起到不可替代的作用。然而,传统车载导航系统大多基于全球定位系统(Global Positioning System,GPS)实现,针对传统车载导航系统在都市复杂环境下所表现出的导航质量难以满足人们对导航性能更高的要求,针对目前车载导航系统在导航精度和可靠性方面所存在的问题,本文提出了GPS与航位推算(Dead Reckoning,DR)紧组合导航算法以提高导航系统的精度、连续性和完好性等性能。为满足用户对导航服务直观性的需求,本文采用地图为载体对导航结果进行显示,同时采用空间拓扑结构设计了地图数据存储结构,并基于该地图数据,综合考虑行车过程中的速度、航向、位置等信息,设计了多信息源的地图匹配(Map Matching,MM)算法。此外,为满足高要求车辆对导航可靠性的要求,提出了基于GPS/DR/MM的增强型接收机自主完好性监测算法,并对GPS观测量以及地图匹配信息实时监测。　　论文的主要研究内容如下: 　　1.GPS/DR紧组合导航算法研究。　　首先分析基于GPS伪距单点定位模型及影响定位精度的误差源,然后引入DR观测信息。针对单独使用GPS定位和GPS/DR松组合导航系统难以满足现代车载导航系统对定位精度的需求问题,考虑到GPS/DR观测方程的非线性特性,建立了基于时间域的离散化的量测方程,并通过扩展卡尔曼滤波(Extented Kalman Filter,EKF)算法实现GPS和DR原始观测信息的融合,进而实现GPS/DR紧组合导航。　　2.电子地图数据存储技术研究。　　为减小地图数据占用的物理存储空间,本文设计了一种以二进制数据基于空间拓扑结构的电子地图数据文件存储方式,文件中同时存储了电子地图数据及其属性信息。以不损失电子地图数据精度为前提,提出矢量地图与栅格化地图相结合的以整型数据存储电子地图数据新方法。采用本文设计的电子地图数据结构,可以有效的提高地图调用效率,并能够大大缩小电子地图数据占用的物理存储空间。考虑到GPS和DR观测量所采用的坐标系不同以及经纬度坐标表征距离十分不方便,本文提出了“六参数”法快速坐标转换模型,针对本文应用于陆地车载导航的环境,提出了地心地固(Earth-centered,Earth-fixed,ECEF)坐标系下经纬度坐标到本地平面坐标系的快速转换方法,将电子地图信息与定位结果采用相同的参数计算其平面坐标,为后续地图匹配做准备。　　3.地图匹配算法研究。　　利用存储的电子地图数据以及组合导航定位结果,提出“矩形窗”算法实现备选路径的搜索。然后,综合考虑汽车行驶速度、汽车行驶方向、定位点到备选路径的距离以及道路的可连接性等属性特征和定位特征,设计基于点到线几何匹配方式的地图匹配算法。　　4.GPS/DR/MM增强型接收机自主完好性监测算法研究。　　通过EKF实现GPS/DR/MM观测量的信息融合,采用EKF算法执行过程中产生的新息变量,依据设定的误警率和漏检率,实现增强型接收机自主完好性监测(enhanced Receiver Autonomous Integrity Monitoring,eRAIM)算法。通过eRAIM监测来自于GPS卫星信号故障以及地图误匹配等故障,当发生故障时,能及时向用户发出告警信号。　　5.基于ARM的车载导航系统设计实现。　　以ARM为控制核心搭建导航系统硬件平台,在该平台上完成导航解算、地图匹配以及完好性监测等算法。采用面向对象的设计思想,设计基于Linux系统的导航系统软件,通过串口分别采集来自GPS和DR模块的原始观测信息完成上述算法,最后以触摸式液晶屏为平台实现终端显示,以直观的界面为用户提供导航服务。由于终端显示采用触摸式液晶屏,同时担任了用户与导航系统的交互平台,用户可根据自身需求,设定导航模式,显示并保存所需导航信息。　　本文通过实地跑车实验收集数据验证以上算法的可行性和有效性。通过对比GPS/DR紧组合、松组合以及单独使用GPS定位所获得的定位精度性能发现:与GPS导航单点定位相比,松组合和紧组合分别能够提高50.8％和68.3%的定位精度。说明在相同条件下,组合导航能够获得优于单独GPS导航取得的定位精度,同时说明紧组合作为一种更深层次的组合方式,具有较高的定位精度,可以作为都市环境下车载导航系统的一个备选算法。通过本文设计的GPS/DR/MM“串行”RAIM算法发现,该算法能够及时发现导航过程中可能出现的GPS卫星信号故障以及地图误匹配故障。通过地图匹配实时校正导航过程中的误差,实验结果显示,以紧组合定位结果实现的地图匹配成功率高于99%,可以满足陆地车辆导航系统需求。
作者：	黄攀
专业：	导航、制导与控制
导师：	赵琳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文