运载工具导航.pptx

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1、1 概述概述GPSGPS定位系统可以为用户提供三维位置、三维速度以及时间信息，且其定位系统可以为用户提供三维位置、三维速度以及时间信息，且其定位误差不随时间积累。但是，定位误差不随时间积累。但是，GPSGPS定位系统也存在着一些不足之处：定位系统也存在着一些不足之处：（1 1）星座对地球覆盖不完善，存在着所谓的）星座对地球覆盖不完善，存在着所谓的“间隙区间隙区”；（2 2）由于）由于GPSGPS是一种无线电导航系统，它需要对卫星有直接可见性。是一种无线电导航系统，它需要对卫星有直接可见性。城市的高楼、树荫等障碍物可能导致位置信息的暂时丢失，重新捕获城市的高楼、树荫等障碍物可能导致位置信息的暂时

2、丢失，重新捕获后定位需要一个稳定过程；后定位需要一个稳定过程；（3 3）多路径效应的影响十分复杂。在城市中行驶的车辆接收到的）多路径效应的影响十分复杂。在城市中行驶的车辆接收到的GPSGPS信号不仅包括正常的信号，而且也包含高楼或其他物体折射过来的微信号不仅包括正常的信号，而且也包含高楼或其他物体折射过来的微弱信号，这种多路径引起的定位误差有时会严重影响导航系统的定位弱信号，这种多路径引起的定位误差有时会严重影响导航系统的定位性能；性能；（4 4）计算的复杂性，使）计算的复杂性，使GPSGPS接收机只能用于有限的动态范围。接收机只能用于有限的动态范围。基于以上的不足，目前的基于以上的不足，目前

3、的GPSGPS并不是一种完备的导航设备。因此，需要并不是一种完备的导航设备。因此，需要将将GPSGPS与其它导航技术（如惯性导航系统与其它导航技术（如惯性导航系统/Inertial Navigation/Inertial Navigation System,INSSystem,INS）结合起来，形成组合式导航系统，可以解决在）结合起来，形成组合式导航系统，可以解决在GPSGPS定位定位盲区无法定位的问题；同时盲区无法定位的问题；同时GPSGPS的应用往往需要与的应用往往需要与GISGIS相结合。相结合。第1页/共24页25.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航5.1 GPS/D

4、R5.1 GPS/DR组合导航组合导航 5.1.1 DR(Dead Reckoning)5.1.1 DR(Dead Reckoning)航位推算系统的基本原理航位推算系统的基本原理航位推算方法是一种常用的自主式车辆定位技术。在这种方法中采用距离传感器和角度传感器来航位推算方法是一种常用的自主式车辆定位技术。在这种方法中采用距离传感器和角度传感器来测量位移矢量和角位移矢量，从而推算出车辆的瞬时位置，如图测量位移矢量和角位移矢量，从而推算出车辆的瞬时位置，如图5-5-1 1所示。所示。车辆在车辆在 时刻位置可表示为：时刻位置可表示为：（5-15-1）图航位推算原理图航位推算原理第2页/共24页35

5、.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航其中，其中，是车辆在是车辆在 时刻的初始位置，时刻的初始位置，为车辆在为车辆在 时刻的位置，时刻的位置，,分别是车辆从分别是车辆从 时刻的位置时刻的位置 到到 时刻时刻 位置位置 的位移矢量的长度和绝对的位移矢量的长度和绝对航向。相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用航向。相对航向定义为连续两个绝对航向之差，用 表示。若给出了表示。若给出了 时刻的相对时刻的相对航向测量值航向测量值 ，则时刻的车辆的绝对航向可以用公式（，则时刻的车辆的绝对航向可以用公式（5-25-2）算出。）算出。（5-25-2）在车辆导航系统中，里程表通常用来测量车辆行进

6、的距离，速率陀螺用来测量车辆的相对航向。在车辆导航系统中，里程表通常用来测量车辆行进的距离，速率陀螺用来测量车辆的相对航向。由于航位推算是一个累积的过程，因此，所有传感器的误差均会造成位置误差的累积，使得定位由于航位推算是一个累积的过程，因此，所有传感器的误差均会造成位置误差的累积，使得定位精度降低。精度降低。第3页/共24页45.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航根据航位推算方法进行位置推算，其产生根据航位推算方法进行位置推算，其产生定位误差累积的主要原因如定位误差累积的主要原因如下下：1 1）里程表误差，由于轮胎的充气程度不同、车速的变化、轮胎的磨）里程表误差，由于轮胎的

7、充气程度不同、车速的变化、轮胎的磨损、载荷的大小、道路状况的影响、车轮打滑和弹跳及车辆转弯等造损、载荷的大小、道路状况的影响、车轮打滑和弹跳及车辆转弯等造成测量距离误差；成测量距离误差；2 2）角速率陀螺存在误差漂移，且随时间而积累；）角速率陀螺存在误差漂移，且随时间而积累；3 3）方向误差，由于载体的姿态变化（非水平时）引入的方向误差。）方向误差，由于载体的姿态变化（非水平时）引入的方向误差。为了减小累积误差，可采用为了减小累积误差，可采用GPS/INSGPS/INS组合式导航系统，利用组合式导航系统，利用GPSGPS精确精确定位信息对导航传感器的误差进行校正。定位信息对导航传感器的误差进行

8、校正。尽管航位推算系统的定位会产生误差累积，但它属于自主式车辆定位，尽管航位推算系统的定位会产生误差累积，但它属于自主式车辆定位，当当GPSGPS接收机收不到定位信号而无法进行定位时，航位推算系统可继接收机收不到定位信号而无法进行定位时，航位推算系统可继续定位工作，从而提高整个导航系统的可靠性。续定位工作，从而提高整个导航系统的可靠性。第4页/共24页55.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航5.1.2 GPS/DR5.1.2 GPS/DR组合导航组合导航单纯用单纯用GPSGPS或或DRDR进行导航都用各自的不足。如果将这两种导航方式以适当的方法组合起来，就能进行导航都用各自的

9、不足。如果将这两种导航方式以适当的方法组合起来，就能互相弥补缺陷，提高系统的整体导航精度及导航性能。互相弥补缺陷，提高系统的整体导航精度及导航性能。实现实现GPSGPS和和INSINS的组合方案：常用的方法是基于卡尔曼滤波器的组合方案：常用的方法是基于卡尔曼滤波器(Kalman filter)(Kalman filter)的组合方法。在的组合方法。在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波估计系统的各种误差状态，并用误差状态的导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，达到系统组合的目的。估计值去校正系统，达到系统组合的目的。第5

10、页/共24页65.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航5.1.3 GPS5.1.3 GPS和和DRDR数据融合数据融合当车辆行驶到隧道、山区等遮挡较严重的地带时，高精度当车辆行驶到隧道、山区等遮挡较严重的地带时，高精度GPSGPS信号将丢失或精度降低，而失去定信号将丢失或精度降低，而失去定位信息。位信息。图信号丢失图信号丢失第6页/共24页75.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航DRDR是自主式定位，在是自主式定位，在GPSGPS信号丢失时仍能保证连续定位。信号丢失时仍能保证连续定位。图定位图定位第7页/共24页85.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导

11、航组合导航但是，但是，DRDR的绝对定位精度不高，所以只能作为高精度定位的补充。的绝对定位精度不高，所以只能作为高精度定位的补充。用连续的用连续的DRDR信息补充不连续的信息补充不连续的GPSGPS信息，其原理就是在相同的信息，其原理就是在相同的GPSGPS时时间下两种定位方法测得的点是对应的。间下两种定位方法测得的点是对应的。用低精度用低精度DRDR数据补充高精度数据补充高精度GPSGPS数据时，还不能直接用原始数据时，还不能直接用原始DRDR数据，数据，如果那样的话虽然断的地方有数据，但并没有真正地把路线接上，补如果那样的话虽然断的地方有数据，但并没有真正地把路线接上，补上的一段明显与其他

12、点有偏移。较好的办法是利用重复的定位信息，上的一段明显与其他点有偏移。较好的办法是利用重复的定位信息，根据类似于最小二乘法的原理把根据类似于最小二乘法的原理把DRDR定位值总体平移，使每个点与定位值总体平移，使每个点与GPSGPS定位点最接近。定位点最接近。设经度平移量为设经度平移量为 ，纬度平移量为，纬度平移量为 ，分别表示高精度分别表示高精度经纬度值，经纬度值，分别表示低精度经纬度，分别表示低精度经纬度，n n为重复点的个数，公式为重复点的个数，公式推导如下：推导如下：（5-35-3）第8页/共24页95.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航要使式（要使式（5-35-3）取

13、最小值，则）取最小值，则同理同理 第9页/共24页105.1 GPS/DR5.1 GPS/DR组合导航组合导航根据以上公式求得根据以上公式求得x,y x,y，把，把DRDR数据平移后再补充进高精度数据就得到较理想的连数据平移后再补充进高精度数据就得到较理想的连续的定位数据：续的定位数据：图与信息融合图与信息融合第10页/共24页115.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统5 52 GPS/GIS2 GPS/GIS合成系统合成系统地理信息系统地理信息系统GISGIS（geography information systemgeography information syste

14、m），是以研究地理空间信息分布为对象的），是以研究地理空间信息分布为对象的科学。科学。GPSGPS技术与技术与GISGIS的合成，为的合成，为GPSGPS的普及应用提供了最佳的发展空间。的普及应用提供了最佳的发展空间。虽然虽然GPSGPS可以地给出目标的位置和速度，但这种信息往往不够直观，无法给出目标自身周围环境可以地给出目标的位置和速度，但这种信息往往不够直观，无法给出目标自身周围环境的地理属性和与其相关的空间信息的描述，而的地理属性和与其相关的空间信息的描述，而GISGIS恰能满足这一互补的要求。恰能满足这一互补的要求。在在GPS/GISGPS/GIS合成系统中（如交通管理、车辆监控系统）

15、，在监控中心（或车载计算机）显示屏上，合成系统中（如交通管理、车辆监控系统），在监控中心（或车载计算机）显示屏上，显示的是数字地图和显示的是数字地图和GPSGPS运载体的航迹位置和地理信息标示符。因此，运载体的航迹位置和地理信息标示符。因此，GPSGPS定位坐标和数字地图定位坐标和数字地图坐标系统要统一，这是两种系统合成的前提。坐标系统要统一，这是两种系统合成的前提。第11页/共24页125.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统GPSGPS系统使用的坐标系是系统使用的坐标系是WGS-84WGS-84世界大地坐标系（世界大地坐标系（world geodetic world g

16、eodetic systemsystem），），WGS-84WGS-84系统的椭球参数：椭球长半轴系统的椭球参数：椭球长半轴 kmkm，椭球扁率（扁平系数），椭球扁率（扁平系数）。我国的地图，大部分采用我国的地图，大部分采用19541954年北京坐标系（简称北京年北京坐标系（简称北京5454系，系，P-P-5454），正逐步向），正逐步向19801980西安坐标系过渡。西安坐标系过渡。北京北京5454系采用原苏联的克拉索夫斯基椭球，椭球参数：系采用原苏联的克拉索夫斯基椭球，椭球参数：椭球长半轴椭球长半轴 kmkm，椭球扁率（扁平系数），椭球扁率（扁平系数）。19801980年开始，我国改用年开

17、始，我国改用19751975年国际大地测量协会（年国际大地测量协会（IAGIAG）第）第1616届大会届大会推荐的地球椭球参数：椭球长半轴推荐的地球椭球参数：椭球长半轴 kmkm，椭球扁率（扁，椭球扁率（扁平系数）平系数），依此建立的坐标系称为，依此建立的坐标系称为“19801980年国家大地坐年国家大地坐标系标系”（简称国家（简称国家8080系，系，NGS-80NGS-80）。并由国家）。并由国家8080系派生出一种新的系派生出一种新的19541954年北京坐标系，简称年北京坐标系，简称“北京新北京新5454系系”（B-54B-54）第12页/共24页135.2 GPS/GIS5.2 GPS

18、/GIS合成系统合成系统地图是平面的，需要将椭球体投影到平面。我国的地图采用高斯地图是平面的，需要将椭球体投影到平面。我国的地图采用高斯-克吕格投影（克吕格投影（Gauss-Gauss-KrggerKrgger）投影。高斯）投影。高斯-克吕格平面上的坐标，称为高斯克吕格平面上的坐标，称为高斯-克吕格平面直角坐标。与数学上常克吕格平面直角坐标。与数学上常用的平面直角坐标相反，在高斯用的平面直角坐标相反，在高斯-克吕格平面直角坐标系中，克吕格平面直角坐标系中，x x表示纵坐标，表示纵坐标，y y为横坐标。为横坐标。要使要使GPSGPS定位信息正确地显示在数字地图上，必须进行坐标转换，将定位信息正确

19、地显示在数字地图上，必须进行坐标转换，将GPSGPS定位结果转换为高斯平定位结果转换为高斯平面坐标。面坐标。其它投影：其它投影：通用横轴墨卡托投影（通用横轴墨卡托投影（Universal Transverse Mercator ProjectionUniversal Transverse Mercator Projection）：简称投影，）：简称投影，该投影该投影19381938年由美国军事测绘局提出，年由美国军事测绘局提出，19451945年开始使用。年开始使用。兰勃脱（兰勃脱（LambertLambert）投影：我国解放前曾采用，现在世界上仍有不少国家采用。）投影：我国解放前曾采用，现在

20、世界上仍有不少国家采用。第13页/共24页145.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统5.2.1 5.2.1 坐标转换坐标转换坐标转换通常有两种方式：坐标转换通常有两种方式：1 1）先将先将WGS-84WGS-84大地坐标转换为北京大地坐标转换为北京5454坐标（西安坐标（西安8080坐标），然后进行高斯坐标），然后进行高斯-克吕格投影变换。克吕格投影变换。2 2）先将先将WGS-84WGS-84大地坐标以大地坐标以WGS-84WGS-84参考椭球为基准进行高斯参考椭球为基准进行高斯-克吕格投影，然后通过平面坐标克吕格投影，然后通过平面坐标强制转换，将高斯强制转换，将高斯-

21、克吕格投影后的平面坐标转换为北京克吕格投影后的平面坐标转换为北京5454高斯平面坐标。高斯平面坐标。1.1.高斯投影及高斯平面坐标系高斯投影及高斯平面坐标系设想用一个断面与参考椭球体子午圈相等的椭圆柱套在参考椭球上，椭圆柱面与某一选定的子午设想用一个断面与参考椭球体子午圈相等的椭圆柱套在参考椭球上，椭圆柱面与某一选定的子午线（称为中央子午线或轴子午线）相切（如图线（称为中央子午线或轴子午线）相切（如图5-185-18），然后采用等角投影（正形投影），将参考），然后采用等角投影（正形投影），将参考椭球体上的子午线、赤道和各点均投影到椭圆柱面上。将椭圆柱面沿轴线，并通过椭球体上的子午线、赤道和各点

22、均投影到椭圆柱面上。将椭圆柱面沿轴线，并通过N N、S S两端切开，两端切开，展开所得的平面即为高斯平面（如图展开所得的平面即为高斯平面（如图5-5-）。）。第14页/共24页155.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统图高斯投影示意图图高斯投影示意图第15页/共24页165.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统高斯平面坐标系的几何定义：中央子午线与赤道的交点为原点，中央子午线为高斯平面坐标系的几何定义：中央子午线与赤道的交点为原点，中央子午线为X X轴，赤道面与椭轴，赤道面与椭圆柱面相交成一条直线，该直线与中央子午线正交，构成圆柱面相交成一条直线，该直

23、线与中央子午线正交，构成Y Y轴（如图轴（如图5-5-）。）。在高斯投影中，椭球面上的任一角度，投影后在高斯投影中，椭球面上的任一角度，投影后保持不变，中央子午线上没有长度变形，其它保持不变，中央子午线上没有长度变形，其它均有长度变形。为了限制长度变形对定位精度均有长度变形。为了限制长度变形对定位精度的影响，通常要进行投影分带，将投影区域的影响，通常要进行投影分带，将投影区域限定在中央子午线两侧一定范围内，有限定在中央子午线两侧一定范围内，有6 6带带和和3 3带两种。带两种。每一个投影带设有一个平面坐标系，为了避免每一个投影带设有一个平面坐标系，为了避免Y Y坐标出现负值，在中央子午线上的各

24、点坐标出现负值，在中央子午线上的各点Y Y坐标定坐标定为为500km500km，即将，即将X X轴向西平移轴向西平移500km500km。为了区别各。为了区别各投影带不同的横坐标投影带不同的横坐标y y（已加上（已加上500km500km），将该），将该y y值加值加 n1000kmn1000km（n n为投影带的带号）。为投影带的带号）。图高斯平面图高斯平面第16页/共24页175.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统2.2.高斯投影正算公式高斯投影正算公式根据大地坐标经纬度根据大地坐标经纬度(L(L，B)B)，计算高斯平面坐标（，计算高斯平面坐标（x x，y y），称为

25、高），称为高斯投影正算。反之，用高斯斯投影正算。反之，用高斯-克吕格平面坐标（克吕格平面坐标（x x，y y），求该点在椭），求该点在椭球面上的大地坐标经纬度（球面上的大地坐标经纬度（L L，B B），称为高斯投影反算。对），称为高斯投影反算。对GPSGPS导航导航定位而言，高斯投影正算应用较多。有关的推导过程较复杂，只给出定位而言，高斯投影正算应用较多。有关的推导过程较复杂，只给出结果结果（）（）式中：，为投影带中央子午线经度，式中：，为投影带中央子午线经度，卯酉圈曲率半径卯酉圈曲率半径 椭球第一偏心率椭球第一偏心率第17页/共24页185.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合

26、成系统椭球第二偏心率椭球第二偏心率 ，椭球扁率椭球扁率 a a，b b分别为参考椭球的长、短半径分别为参考椭球的长、短半径辅助变量辅助变量 辅助变量辅助变量卯酉圈卯酉圈：过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面（包含法线的平面称为法截面），：过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面（包含法线的平面称为法截面），其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。第18页/共24页195.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统为赤道至纬度为为赤道至纬度为B B的平行圈的子午线弧长，其计算公式

27、为：的平行圈的子午线弧长，其计算公式为：（）（）式中：式中：c c为极曲率半径，（两极的子午圈曲率半径）为极曲率半径，（两极的子午圈曲率半径）第19页/共24页205.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统根据根据GPSGPS车载导航的实际精度要求，忽略（）式车载导航的实际精度要求，忽略（）式5 5次以上高阶项、（）式次以上高阶项、（）式7 7次以上高次以上高阶项，得到实用公式：阶项，得到实用公式：（）（）式中：式中：计算精度为计算精度为mmmm级级 第20页/共24页215.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统5.2.2 GPS/MM5.2.2 GPS/

28、MM组合导航系统组合导航系统由于各种误差（由于各种误差（GPSGPS定位误差，坐标转换误差、投影变换误差等），会出现定位误差，坐标转换误差、投影变换误差等），会出现在地图上在地图上车辆偏离行驶道路的现象，车辆偏离行驶道路的现象，地图匹配技术地图匹配技术可以解决这一问题。可以解决这一问题。地图匹配（地图匹配（Map MatchingMap Matching，MMMM）算法）算法即利用道路网的几何参数和拓扑结构即利用道路网的几何参数和拓扑结构帮助确定车辆的位置。因此，道路帮助确定车辆的位置。因此，道路GISGIS不仅是位置的图像表示，而且可作为不仅是位置的图像表示，而且可作为提供车辆位置的工具。提

29、供车辆位置的工具。MMMM以以“车辆必须行驶在道路上车辆必须行驶在道路上”的假设和的假设和“用于匹配的数字地图包含高精度用于匹配的数字地图包含高精度的道路位置坐标的道路位置坐标”为前提，根据车辆所行驶的距离和方位变化从车辆所在的为前提，根据车辆所行驶的距离和方位变化从车辆所在的正确的历史位置和方向进行位置递推（原理如图）。正确的历史位置和方向进行位置递推（原理如图）。MMMM的实现关键在于复杂的算法，同时，一个性能良好的道路的实现关键在于复杂的算法，同时，一个性能良好的道路GISGIS平台也是至平台也是至关重要的。关重要的。地图匹配一方面提供了车辆在电子地图上的显示手段，使车辆不至于因为各地图

30、匹配一方面提供了车辆在电子地图上的显示手段，使车辆不至于因为各种误差而在显示时偏离道路；另一方面，通过投影，使车辆定位数据仅残留种误差而在显示时偏离道路；另一方面，通过投影，使车辆定位数据仅残留GPSGPS误差在车辆前进路线上的径向分量，从而提高定位精度。误差在车辆前进路线上的径向分量，从而提高定位精度。第21页/共24页225.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统图图7 算法原理算法原理第22页/共24页235.2 GPS/GIS5.2 GPS/GIS合成系统合成系统5.2.3 GPS/GIS5.2.3 GPS/GIS合成系统的软件开发合成系统的软件开发两种方法：两种方法

31、：1 1）在商业在商业GISGIS平台上平台上（MapInfoMapInfo，ArcInfoArcInfo软件平台软件平台）开发自己的）开发自己的GPSGPS应用程序。应用程序。优点：优点：GISGIS功能强，易于实现。功能强，易于实现。缺点：缺点：GPSGPS功能相对较弱；不具有独立的知识产权；成本高。功能相对较弱；不具有独立的知识产权；成本高。2 2）结合硬件系统，自主开发结合硬件系统，自主开发GPS/GISGPS/GIS合成系统软件。合成系统软件。优点：系统灵活，具有独立的知识产权；优点：系统灵活，具有独立的知识产权；缺点：难度大，缺点：难度大，GISGIS功能相对较弱。功能相对较弱。第23页/共24页24感谢您的观看！第24页/共24页