组合定位导航技术研究

摘　要：定位导航技术是智能交通系统（ITS）的关键技术之一。文章首先介绍了GPS、INS（惯性导航）、DR（航位推算）三种常用定位导航技术，重点研究了各自的优点及缺点。接着探讨了GPS/DR组合定位导航技术的优势所在。最后，为了进一步提高定位精度，提出采用MM (地图匹配)技术来进一步修正误差，使得定位功能更加准确可靠。

关键词：GPS；惯性导航；航位推算；地图匹配
1.引言
　　智能交通系统(ITS )已被公认为解决消防部队在突发事故发生时如何快速抵达事故现场问题的有效途径，它是在关键基础理论研究的前提下，将先进的信息技术、数据通信技术及电子控制技术等有效地综合运用于地面交通运输体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输系统。
　　车辆定位导航技术是ITS中的关键技术之一。车辆导航定位系统的首要功能是能够提供车辆的位置、速度和航向等信息，而精确、可靠的车辆定位则是实现导航功能的前提和基础。常用的车辆定位技术主要有：航位推算技术(DR)、卫星定位技术(GPS)、惯性导航技术(INS)、地图匹配技术(MM)等等。由于基于任何一个单独的定位技术的系统都有本身无法克服的短处，因此出现了组合导航系统。本文根据智能交通系统的特点，提出了GPS、航位推算技术与地图匹配技术相结合的组合导航系统。
定位技术
　　全球定位系统(Global Positioning System-GPS)[1]是当前全球定位系统中技术最成熟，应用也最为广泛的系统。它可以全天候连续为全球范围陆、海、空军民用户提供定位导航信息，用户设备的定位精度优于20m，时间准确度达到ns量级。具有全天候，定位迅速，精度高，可连续提供三维位置(精度、纬度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点[2]，主要应用于单点导航定位与相对测地定位两个方面，是当今车辆定位导航的主流。
　　GPS系统包括三大部分：
　　（1）空间部分——GPS卫星星座
　　由24颗在轨卫星和3颗备份卫星组成，部署在高达20200km的轨道上，在地球上和近地空间任何一点均可连续同步地观测4颗以上卫星，从而实现全球、全天候连续导航定位。  
　　GPS的空间卫星星座如图1所示：
　　
　　图1 GPS的空间卫星星座
　　（2）地面控制部分——地面监控系统
　　地面控制部分是整个系统的中枢，由美国国防部管理，它包括1个主控站，5个监控站。主控站负责对地面监控站的全面控制。监控站内装备有接收机、原子钟、气象传感器及数据处理计算机，其任务是追踪及预测GPS卫星轨道，控制GPS卫星状态及轨迹偏差，维护GPS系统的正常运作。
　　（3）用户设备部分——GPS信号接收机
　　用户部分则是适用于各种用途的GPS接收机，其主要功能是接收GPS卫星播发的定位信息，GPS用户接收机是由主机、电源和天线组成。主机的核心部件是信道电路、基带处理电路和中央处理器，在专用软件的控制下，进行作业卫星选择、数据搜集、加工、传输、处理和存储，其天线则接收来自各方位的导航卫星信号。GPS接收机接收到从卫星传来的连续不断的编码信号后，再根据这些编码辨认相关的卫星，从导航电文中获取卫星的位置和时间，然后计算出接收机(即用户)所在的准确地理位置。
　　三者的关系如图2所示：
　　
　　图2 GPS全球卫星定位系统的三大组成
　　GPS导航利用GPS模块接受导航卫星信号，然后计算出汽车的经纬度、速度、行驶方向、时间等信息，它具有全球性、全天候、低成本、高精度、实时三维的测定位置和速度的能力，因而有很大的优势。
　　但是，GPS导航也有其本身所固有的弱点[3]，主要是非自主性、易受干扰、动态性能较差，卫星信号因在有些地方受遮挡会导致丢失信号而影响定位，定位精度容易受电子欺骗等因素影响。更致命的是城区内地物特征复杂，当卫星信号被树木、城市高层建筑、隧道和桥梁等遮挡或GPS接收机接收不到四颗及以上的卫星信号时，GPS导航系统便不能提供连续导航信息，其定位误差将增大，甚至可能出现不定位的现象。
　　单一的卫星定位方式由于可能会受到使用环境的影响，不能很好的完成定位功能，但是即使是使用卫星定位系统之间的组合定位：如GPS与GLONASS（俄罗斯的“格拉纳斯”卫星定位导航系统）之间的组合而成的GNSS，以及GPS, GLONASS与欧盟的伽利略卫星的组合定位，这些组合定位技术都提高了定位的可靠性和精度。但是在高架、立交、停车场等卫星定位号接收不良的情况下，定位精度仍然难以保证。并不能从根本上解决卫星定位系统的固有缺陷。
3. INS（Inertial Navigation System惯性导航系统）技术
　　惯性导航系统（INS）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。在现代航空、航天和航海载体的导航系统中，惯性导航系统是技术相对成熟、应用最为广泛的一种导航设备之一。
　　惯性导航系统是一种完全自主式的导航系统，导航过程中不向外辐射电磁信号，和外界不发生任何光、电的联系，因此有很好的隐蔽性和强大的抗干扰能力，工作不受气象条件限制，可全天侯、全球工作与空中、地球表面乃至水下。惯性导航系统能同时输出位置、速度、姿态、加速度和角速度等导航信息，所产生的导航信息连续性好而且噪声低，可单独完成导航功能。同时具有数据更新率高、短期精度和稳定性好等优点。
　　但是，惯性导航系统不能给出时间信息，又由于导航信息经过积分而产生，定位误差会随时间而增大，长期工作精度变差，因此难以长时间独立工作。而且每次使用之前需要较长的初始对准时间。另外，惯性测量设备的价格高昂，这也是导致它在车辆导航系统中的运用受到很大的限制。
4. DR (Dead Reckoning航位推算)技术
　　航位推算的现代定义是由Cotter提出的，其定义“为从一己知的坐标位置开始，根据航行体(船只、飞机、陆地车辆等)在该点的航向、航速和航行时间，推算下一时刻坐标位置的导航过程就称为航位推算”。DR基本原理是利用方向和速度传感器来推算车辆的位置。由于车辆的运动可以看成是二维平面上的运动，因此如果知道车辆的起始位置和起始方位角，通过实时的测量车辆的行驶 距离和航向角度的变化，就可以实时的推算车辆的位置。
　　DR导航技术完全自主，既不发射信号，也不接收信号，不存在电磁波传播问题，成本低，只需利用自身的测量元件的观测量，推求位置、速度等导航参数，不受外界环境及其它政策性人为因素的影响，在短时间内能保持较高的精度。且机动灵活，无论是涵洞还是水下，只要载体(车、船、飞机、潜艇)能够到达的地方就能导航定位。
　　但是DR系统只能确定相对位置。且误差随时间的延长而积累，导致定位误差随时间延长而迅速增长的问题，因此DR方法不能单独、长时间地使用，而常常作为一种辅助的定位技术得到应用。
5.组合定位技术
    每一种定位技术各自都有其优点和特色，但也存在固有的不足，其精度及可靠性都有一定的限制。将各种定位技术综合起来，组成组合导航系统，将能达到取长补短、综合发挥各种导航系统特点的目的，并能提高导航信息精度，更好地满足载体对导航系统的要求。并且，组合后的系统具有冗余功能，增加了导航系统的可靠性。
　　在导航应用领域中，一般采用全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)的组合导航[4]，它们能分别独立地获取信息，并快速推算出地理位置信息。然而，价格昂贵制约了高精度INS的使用。高性能INS通常用于军事和民航领域，而不适合车辆导航这类一般的应用领域。
　　GPS/DR车载组合导航[5]是一种很好的解决方案，GPS与DR存在很强的互补关系，一方面，GPS可以为DR提供推算定位所需的初始点的绝对位置信息，并进行误差校正，避免DR信息因传感器的漂移和噪声而产生的误差积累。另一方面，DR的推算结果可以弥补GPS信息在短期内因受高楼、树荫阻挡而无法正常定位的缺陷，用于补偿部分GPS定位中的随机误差，平滑定位轨迹。另外，GPS/DR组合导航方式性价比高，组成实用的车辆导航系统，因而在民用低成本车载导航系统中广为采用。
　　GPS/DR车载组合导航采用以GPS定位为主、航位推算为辅的组合导航定位方式可以很好的保证车辆定位连续性和可靠性。利用微处理器将各个传感器有机的结合在一起，并利用最优估计理论与方法进行多种导航信息的综合处理，计算出精确的位置信息。整个组合导航系统在工作时，导航计算机同时接收来自GPS定位系统和DR航位推算系统的数据，根据组合导航系统的数学模型进行两种定位结果的信息融合，得到最优的定位结果，从而获得最好的定位精度。当GPS信号丢失，无法正常工作时，能够利用 DR系统的自主定位结果，以维持正常导航。此外，当GPS定位由于可见星少于四颗而定位精度较低时，还可以利用DR系统在一定的距离内的较高精度来改善GPS的定位精度。
　　GPS/DR组合导航系统原理如图3所示：
　　
　　图3  GPS/DR组合导航系统原理图
　　但是，这种车载组合导航系统也有自己的局限，主要反映在：
　　（1）它用里程计采集位移信号，这需要改动汽车电气线路，并且汽车型号不一样，里程计感应元件的参数也不一样，安装不方便，并且导航精度受里程计的精度限制。
　　（2）长时间接收不到GPS的情况下，单靠这种DR系统积累的误差将会很大，方位信息已经不准确，不能正确的导航。
　　（3）汽车行驶期间，不能感应汽车的姿态，汽车机动模型是建立在水平面的假设基础上的，而实际情况却不是这样，当汽车行驶在坡度路面上时，这样推算出来的结果必然和实际情况有误差。
　　（4）微处理器运算速度慢，不能实时的输出航位信息，有滞后现象。
6. 地图匹配(Map Matching)技术
　　GPS和航位推算法(DR)系统的组合导航虽然能够提高导航系统的精度和提高组合导航系统的可靠性，但导航数据仍然存在一定的误差，并且在GPS信号长期丢失的条件下，DR系统的误差也会因为长时间得不到校正而积累变大。而移动目标的精确定位正是系统的关键，这就要求人为对其进行校正，在实际系统中通常采用地图匹配方法[6]来提高DR和GPS系统的精度。地图匹配方法是借助地理信息系统数据库存储的高精度道路数据来提高车载导航系统的定位精度，使导航数据和道路数据相一致。地图匹配功能在现代车辆定位与导航系统中起着重要作用，它能使系统的定位功能更加准确可靠，从而为导航功能的实现提供良好的基础。
　　地图匹配是一种基于软件技术的定位修正方法，其基本思想是将车辆定位轨迹与数字地图中的道路网信息联系起来，并由此相对于地图确定车辆的位置，原理参见图4。
　　
　　图4 地图匹配原理示意图
　　地图匹配应用是基于以下两个假设条件：
　　（1）车辆总是行驶在道路上。
　　（2）采用的道路数据精度要高于车载定位导航系统的定位精度。
　　当上述条件满足时，就可以把定位数据和车辆运行轨迹同数字化地图所提供的道路位置信息相比较，通过适当的匹配过程确定出车辆最可能的行驶路段以及车辆在该路段中的最大可能位置。如果上述假设不成立，则地图匹配将产生错误的位置输出，并可能导致系统性能的严重下降。一般认为用于匹配的数字地图误差不应超过15米(真实地面距离)。由于陆地车辆在除进入停车场等之外的绝大多数时间内都位于公路网络中，因此使用地图匹配技术的条件是满足的。
7.小结
　　本文对组合导航技术在智能交通系统中的应用应用作了初步的探讨。介绍了几种常用的导航定位技术，GPS定位、惯性导航技术与航位推算技术。这几种技术都有自身的优势与不足，而这GPS和航位推算技术的优势与不足是互补的，根据两者的互补性提出了两种技术结合的组合导航技术，并在此基础了讨论了进一步通过地图匹配技术来提高导航精度。
参考文献：
[1] 胡风珍.汽车GPS卫星导航全球定位系统技术研究与应用[J].石油仪器,2007,21(4): 46~48.
[2] s, , annou. etc al, Applications of GPS technology in the land transportation system[J], European Journal of Operational Research. 2004, 152(2):399~409
[3] Elliott, 著.邱致和,王万义译. GPS原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2002.
[4] 陈红英,罗文田. GPS/INS组合导航系统的鲁棒滤波研究[J].中国民航飞行学院学报,  2006,17(2):35~38.
[5] 赵超凡,付梦印,张继伟.低成本组合导航系统滤波算法的研究[J].微计算机信息, 2007,23(4):215~216.
[6] 孙棣华,王春丽.基于模糊模式识别的车辆定位地图匹配算法[J].计算机工程与应用, 2007,57(25):227~230.