汽車導(dǎo)航技術(shù)已成為時(shí)下熱門話題，但在實(shí)際應(yīng)用GPS進(jìn)行導(dǎo)航時(shí)卻依然存在定位精度、外部干擾、信號(hào)屏蔽等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了搭建IMU/GPS/RDSS組合汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。
隨著信息融合技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車導(dǎo)航技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息融合技術(shù)，將高精度導(dǎo)航定位技術(shù)與導(dǎo)航地圖相結(jié)合，為司機(jī)提供直觀、詳盡的導(dǎo)航功能，有效提升交通運(yùn)輸與物流周轉(zhuǎn)效率。
雙向互補(bǔ)提升精度
目前，國(guó)內(nèi)的常規(guī)汽車導(dǎo)航應(yīng)用都是基于GPS系統(tǒng)構(gòu)建的。但是，GPS存在著導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)容易受到外部干擾或屏蔽的問(wèn)題。例如，當(dāng)車輛行駛在城市高樓區(qū)、林蔭道、涵洞隧道、地下隧道中時(shí)，由于衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋而容易暫時(shí)“丟失"，GPS接收機(jī)此時(shí)就無(wú)法給出定位解或定位精度很差。
另外一種被廣泛實(shí)用的車輛定位系統(tǒng)是航位推算系統(tǒng)（DR），它利用陀螺儀及里程計(jì)的傳感信息來(lái)實(shí)時(shí)地記錄和推算車輛的當(dāng)前位置，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、自主的導(dǎo)航定位，抗干擾性強(qiáng)。但是，DR的方向傳感器誤差較大且隨時(shí)間積累，而且在導(dǎo)航開(kāi)始前需要預(yù)先知道車輛的初始位置和方向，這就讓DR無(wú)法被單獨(dú)、長(zhǎng)時(shí)間地使用。
由此可見(jiàn)，單獨(dú)的GPS或DR均不能很好地提供車輛導(dǎo)航所需的、連續(xù)、可靠的導(dǎo)航定位信息。對(duì)于民用車輛而言，GPS能夠在絕大多數(shù)情況下完成高精度的導(dǎo)航定位，但仍然存在著當(dāng)車輛行駛在一定環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)暫時(shí)“丟失"而無(wú)法定位的問(wèn)題；而對(duì)于諸如運(yùn)鈔車、警車、救護(hù)車這樣的特殊車輛而言，由于要執(zhí)行特殊任務(wù)，在行駛過(guò)程中必須對(duì)其進(jìn)行連續(xù)、可靠的導(dǎo)航定位，以便指揮中心隨時(shí)掌握它們所處的位置，顯然僅僅依靠GPS無(wú)法滿足上述要求。
因此，為了能夠不間斷地獲得既又可靠的導(dǎo)航定位信息，可以利用現(xiàn)代信息融合技術(shù)，將來(lái)自GPS接收機(jī)、DR以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)的多個(gè)導(dǎo)航信息融合到一起構(gòu)成智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)，充分發(fā)揮各導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，取長(zhǎng)補(bǔ)短。例如，將上面的GPS與DR通過(guò)信息融合技術(shù)構(gòu)成GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以克服GPS衛(wèi)星信號(hào)“丟失"情況下的定位問(wèn)題，還可以克服DR系統(tǒng)精度低和誤差隨時(shí)間積累的缺陷。
目前，國(guó)外在設(shè)計(jì)車輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)時(shí)，習(xí)慣采用以慣性測(cè)量器件與GPS為主要導(dǎo)航系統(tǒng)，并結(jié)合里程儀、多普勒雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)等導(dǎo)航系統(tǒng)，利用信息融合技術(shù)，構(gòu)成智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性、高智能化、高容錯(cuò)性等功能。
在國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等對(duì)車輛智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)也開(kāi)展了相應(yīng)的研究：東南大學(xué)研究設(shè)計(jì)了一種“車載GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)"，定位誤差為±90m；北京航空航天大學(xué)研究設(shè)計(jì)了一種“GPS/INU（慣性導(dǎo)航）/MM（地圖匹配）車輛定位系統(tǒng)"，其組合定位誤差達(dá)到±40m。但是，上述車輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)目前均還處于理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真階段，尚未進(jìn)入正式的產(chǎn)品定型與生產(chǎn)階段。
搭建組合式汽車導(dǎo)航
在借鑒國(guó)外關(guān)于汽車導(dǎo)航的有關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，并結(jié)合國(guó)內(nèi)在慣性導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)等領(lǐng)域所達(dá)到的實(shí)際水平，筆者提出了將慣性測(cè)量裝置（IMU）、GPS接收機(jī)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（RDSS）收機(jī)利用信息融合技術(shù)將它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（RDSS），是我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是除美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個(gè)較為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米，授時(shí)精度約100ns，目前已成功研制出配套的北斗導(dǎo)航接收機(jī)。盡管在效率、定位精度以及抗*力上還遠(yuǎn)不及美國(guó)的GPS，但*可以作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS的一個(gè)有效備份。當(dāng)GPS出現(xiàn)故障或者被人為注入一些干擾誤差時(shí)，北斗接收機(jī)*可以替代GPS，為車輛提供高精度的定位信息。
在筆者所提出的IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，當(dāng)IMU、GPS、RDSS三者均正常工作時(shí)，利用信息融合技術(shù)對(duì)來(lái)自三者的導(dǎo)航信息進(jìn)行*信息融合，獲得*的導(dǎo)航定位參數(shù)；當(dāng)GPS和RDSS的衛(wèi)星信號(hào)短暫“丟失"時(shí)，可以由IMU獨(dú)立進(jìn)行導(dǎo)航定位；而當(dāng)GPS被惡意關(guān)閉而長(zhǎng)時(shí)間失效時(shí)，就采用IMU/RDSS的組合導(dǎo)航方式，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的連續(xù)導(dǎo)航功能。
在該IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了在提高系統(tǒng)精度與降低產(chǎn)品成本之間尋求良好的性價(jià)比關(guān)系，筆者研究設(shè)計(jì)了一種低成本的慣性測(cè)量裝置，采用一個(gè)低精度的壓電晶體速率陀螺儀和兩個(gè)石英固體加速度計(jì)作為IMU的慣性測(cè)量元件。其中，壓電晶體速率陀螺儀作為方向傳感器，用以測(cè)量車輛航向角的變化率；兩個(gè)石英固體加速度計(jì)作為速度傳感器，分別排列在車輛的縱、橫平面，用以測(cè)量車輛的加速度信息。
四步貫通信息技術(shù)融合
該汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度和高可靠性，將主要通過(guò)以下幾個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：
1.采用聯(lián)邦卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)IMU/GPS、IMU/RDSS組合導(dǎo)航子濾波器，將子濾波器輸出的導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)值送入主濾波器進(jìn)行全局*信息融合，得到導(dǎo)航參數(shù)的全局*估計(jì)；
2.定期對(duì)IMU的系統(tǒng)誤差進(jìn)行反饋校正，將其誤差始終鉗制在較小范圍內(nèi)；
3.針對(duì)汽車行駛過(guò)程中，存在器件數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)噪聲未知或近似的情況，采用一種適用于系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣未知情況下的自適應(yīng)卡爾曼濾波方法，既能有效增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)性，又能提高系統(tǒng)定位精度；
4.綜合運(yùn)用子系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估、故障檢測(cè)與隔離、自適應(yīng)信息分配原則等現(xiàn)代信息融合技術(shù)，在獲得*融合導(dǎo)航信息的同時(shí)，有效地提高整個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和可靠性。
經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與跑車試驗(yàn)證明，該IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅有效解決了衛(wèi)星信號(hào)短暫“丟失"時(shí)的導(dǎo)航定位問(wèn)題，而且具有較高的導(dǎo)航定位精度。在7200s的行駛時(shí)間內(nèi)，如果衛(wèi)星定位系統(tǒng)工作正常，該系統(tǒng)的定位誤差能保持在±5m以內(nèi)（高于GPS的10m定位精度）；如果GPS長(zhǎng)期失效而RDSS正常工作，則系統(tǒng)的定位誤差能保持在±20m以內(nèi)；而如果GPS和RDSS均失效（衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋而短暫“丟失"，假設(shè)失效時(shí)間為200s），則系統(tǒng)的定位誤差能保持在±30m以內(nèi)。特別是該組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用了三個(gè)導(dǎo)航子系統(tǒng)以及聯(lián)邦卡爾曼濾波的機(jī)構(gòu)，非常有利于設(shè)計(jì)組合系統(tǒng)的故障檢測(cè)與隔離算法，從而能夠有效地監(jiān)督IMU、GPS與RDSS各自的工作情況正常與否，一旦發(fā)現(xiàn)故障就能及時(shí)對(duì)故障系統(tǒng)進(jìn)行隔離，而不會(huì)影響到其他正常工作的系統(tǒng)，顯著提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯(cuò)性能。
綜上所述，這種基于信息融合技術(shù)的IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件構(gòu)成與軟件算法方面具有一定的創(chuàng)新，有效解決了當(dāng)前汽車GPS導(dǎo)航定位中存在的一些問(wèn)題和隱患，較好地實(shí)現(xiàn)了高精度、高可靠性、高容錯(cuò)性的連續(xù)導(dǎo)航定位功能。
IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （X229）
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