智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)第六章組合導(dǎo)航技術(shù)

1、組合導(dǎo)航裝調(diào)與檢測(cè)目 錄DIRECTORY01.組合導(dǎo)航認(rèn)知與安裝02.組合導(dǎo)航故障檢測(cè)03.組合導(dǎo)航標(biāo)定01組合導(dǎo)航認(rèn)知導(dǎo)航定位是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)提供智能網(wǎng)聯(lián)汽車的運(yùn)動(dòng)信息，包括位置、速度、姿態(tài)、加速度、角速度等，一般采用的是多傳感器融合定位的方式。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航定位通過(guò)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BDS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺(jué)SLAM、激光雷達(dá)SLAM等，獲取車輛的位置和航向信息。導(dǎo)航-定義絕對(duì)定位：是指通過(guò)GPS或BDS實(shí)現(xiàn)，采用雙天線，通過(guò)衛(wèi)星獲得車輛在地球上的絕對(duì)位置和航向信息相對(duì)定位：是指根據(jù)車輛的初始位姿，通過(guò)慣性導(dǎo)航獲得車輛的加速度和角加速度信息，將其對(duì)時(shí)間進(jìn)行

2、積分，得到相對(duì)初始位姿的當(dāng)前位姿信息組合定位：是將絕對(duì)定位和相對(duì)定位進(jìn)行結(jié)合，以彌補(bǔ)單一定位方式的不足導(dǎo)航-分類全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(Global Navigation Satellite System)，是能夠在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。當(dāng)前，投入運(yùn)作的GNSS主要包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)GPS、俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、歐洲的伽利略系統(tǒng)（GALILEO）和我國(guó)的北斗系統(tǒng)（BDS）。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-分類GPSGPS（Global Positioning System）是由美國(guó)國(guó)防部研制的全球首個(gè)定位導(dǎo)航服

3、務(wù)系統(tǒng)，19901999年為系統(tǒng)建成并進(jìn)入完全運(yùn)作能力階段，1993年實(shí)現(xiàn)24顆在軌衛(wèi)星滿星運(yùn)行。其中， 24顆導(dǎo)航衛(wèi)星平均分布在6個(gè)軌道面上，保證在地球的任何地方可同時(shí)見(jiàn)到412顆衛(wèi)星，使地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均可實(shí)現(xiàn)三維定位、測(cè)速和測(cè)時(shí)，使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84）。GLONASSGLONASS的空間星座由27顆工作星和3顆備用星組成，均勻地分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，這3個(gè)軌道平面兩兩相隔120，使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PZ-90）。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-分類GALILEOGALILEO是歐盟于2002年批準(zhǔn)建設(shè)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，計(jì)劃由分布在3個(gè)軌道平面上的30顆中等高度軌道衛(wèi)星構(gòu)成，

4、每個(gè)軌道平面上有10顆衛(wèi)星，9顆正常工作，1顆運(yùn)行備用，軌道平面傾角56，軌道高度為24126km，其民用精度較高，使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84）。BDSBDS（BeiDou Navigation Satellite System）是由我國(guó)自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通訊系統(tǒng)，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，采用我國(guó)獨(dú)立建設(shè)使用的CGCS2000坐標(biāo)系。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-分類全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-參數(shù)表為四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能對(duì)比數(shù)據(jù)。GPSGLONASSGALILEOBDS國(guó)家美國(guó)俄羅斯歐盟中國(guó)組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)/個(gè)24-30303024-30軌道平面數(shù)3363軌道高度/km

5、26560255102322221150軌道傾角5564.85655運(yùn)行周期11H58M11H15M13H12H55M測(cè)地坐標(biāo)系WGS-84PZ-90WGS-84CGCS2000使用頻率/GHz1.2281.5751.5971.6171.2401.2601.1641.3001.5591.5921.2071.2691.5611.590全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-組成以GPS為例，介紹GNNS的系統(tǒng)組成。如圖，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。1）空間星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)軌道平面上有4顆衛(wèi)星，

6、衛(wèi)星軌道平面相對(duì)于地球赤道面的軌道傾角為55，各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60，1個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。而最少只需要其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔，所能連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-組成2）地面監(jiān)控部分主要由1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)測(cè)站和3個(gè)注入站組成。主控站負(fù)責(zé)從各個(gè)監(jiān)控站收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和時(shí)鐘修正參數(shù)等，并通過(guò)注入站注入衛(wèi)星；并向衛(wèi)星發(fā)布指令，控制衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度備用衛(wèi)星。監(jiān)測(cè)站在主控站的直接控制下，自

7、動(dòng)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)不斷的跟蹤測(cè)量，并將自動(dòng)采集的偽距觀測(cè)量氣象數(shù)據(jù)和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行處理，然后存儲(chǔ)并傳送到主控站。注入站則負(fù)責(zé)將主控站計(jì)算的衛(wèi)星星歷、鐘差信息、導(dǎo)航電文、控制指令發(fā)動(dòng)給衛(wèi)星。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-組成3）用戶設(shè)備主要是GPS接收器、衛(wèi)星天線及相關(guān)設(shè)備，主要作用是從GPS衛(wèi)星接收信號(hào)并利用傳來(lái)的信息計(jì)算用戶地理位置的緯度、經(jīng)度、高度、速度和時(shí)間等信息。車載、船載GPS導(dǎo)航儀，內(nèi)置GPS功能的移動(dòng)設(shè)備，GPS測(cè)繪設(shè)備等都屬于GPS用戶設(shè)備。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS），簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)，是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量

8、的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于陀螺儀和加速度傳感器的信號(hào)組合進(jìn)行自主式導(dǎo)航，圖為慣導(dǎo)外觀圖，陀螺儀測(cè)量物體三軸的角速率，用于計(jì)算載體姿態(tài)；加速度計(jì)測(cè)量物體三軸的線加速度，可用于計(jì)算載體速度和位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)-定義慣性導(dǎo)航系統(tǒng)-特點(diǎn)（1）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的導(dǎo)航信息連續(xù)性好而且噪聲小。（2）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。（3）可全天候地工作于空中、地面乃至水下。（4）隱蔽性好，且不受外界電磁干擾的影響。但是，由于其導(dǎo)航信息經(jīng)過(guò)積分而產(chǎn)生，定位誤差隨著時(shí)間增大而增大，長(zhǎng)期精度差，容易產(chǎn)生溫漂和零漂等問(wèn)題。 根據(jù)前文的介紹可以看出，不同定位方式各有優(yōu)劣，智能網(wǎng)聯(lián)汽車

9、在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用多傳感器融合的定位，既做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，也提高了穩(wěn)定性，增強(qiáng)了定位精度。L4無(wú)人車運(yùn)營(yíng)商常用的定位方案中多使用多線束的激光雷達(dá)和高精度的GPS/IMU，雖然這些高精密的傳感器能夠提供豐富的信息，但成本十分高昂，并且也無(wú)法滿足車規(guī)的要求。禾多科技研發(fā)了面向量產(chǎn)的多傳感器融合定位技術(shù)，采用了全車規(guī)級(jí)的低成本傳感器，如GNSS、相機(jī)、低成本車規(guī)級(jí)IMU、輪速計(jì)等，以滿足量產(chǎn)的需求。接下來(lái)，以百度Apollo2.0 為例，介紹高精度定位在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用。高精度地圖-應(yīng)用高精度地圖-應(yīng)用01組合導(dǎo)航安裝組合導(dǎo)航-位置1.關(guān)閉實(shí)訓(xùn)平臺(tái)總電源；2.將組合導(dǎo)航放在專用工位上；3.用記號(hào)

10、筆做好組合導(dǎo)航安裝位置；4.將組合導(dǎo)航放在臺(tái)架式上并安裝緊固螺栓；5.將GNSS定位天線和4G天線與組合導(dǎo)航連接到一起；6.連接好線束插頭；組合導(dǎo)航系統(tǒng)裝調(diào)與檢測(cè) 第二講 組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)目 錄DIRECTORY01.組合導(dǎo)航系統(tǒng)認(rèn)知與安裝02.組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)03.組合導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)定02組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)控制原理分析 組合導(dǎo)航系統(tǒng)上電后，組合導(dǎo)航通過(guò)SMA接頭接收GNSS 定位天線和GPRS 天線的信號(hào)，然后通過(guò)FT232串口與上位機(jī)通訊，在上位機(jī)上顯示航向、速度、加速度、陀螺儀等數(shù)據(jù)，谷歌地球區(qū)顯示具體地理位置 （組合導(dǎo)航3號(hào)線4號(hào)線為電源正極線，7號(hào)線為接地線，TX傳送數(shù)據(jù)，R

11、X接收數(shù)據(jù) ）項(xiàng)目名稱標(biāo)題處常見(jiàn)故障故障類型 組合導(dǎo)航系統(tǒng)不工作，上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)速度、加速度、陀螺儀區(qū)無(wú)顯示信息，谷歌地球區(qū)無(wú)地理位置顯示。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作，上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)左側(cè)速度、加速度、陀螺儀區(qū)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，但右側(cè)谷歌地球區(qū)無(wú)顯示或者位置與實(shí)際位置不符。 常見(jiàn)故障診斷 故障現(xiàn)象：臺(tái)架上電后，組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作，上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)左側(cè)速度、加速度、陀螺儀區(qū)顯示無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)，但右谷歌地球區(qū)地理位置顯示。 可能原因分析：制定診斷流程可能原因分析組合導(dǎo)航系統(tǒng)電源供電相關(guān)線束電路故障（短路、斷路、虛接等）組合導(dǎo)航模塊自身故障相關(guān)系統(tǒng)軟件故障常見(jiàn)故障診斷故障現(xiàn)象：上電后組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作，上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)左側(cè)速

12、度、加速度、陀螺儀區(qū)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，但右側(cè)谷歌地球區(qū)無(wú)顯示或者位置與實(shí)際位置不符。 相關(guān)線束電路故障網(wǎng)絡(luò)、通訊故障GNSS 定位天線、GPRS 天線自身故障相關(guān)系統(tǒng)軟件故障故障原因分析診斷流程：首先目測(cè)相關(guān)原件、插接器及相關(guān)線束是否有破損、松動(dòng)、損壞現(xiàn)象。然后再排除超聲波雷達(dá)自身問(wèn)題最后根據(jù)組合導(dǎo)航指示燈故障情況對(duì)相關(guān)模塊、網(wǎng)絡(luò)及連接線進(jìn)行排查。組合導(dǎo)航裝調(diào)與檢測(cè)目 錄DIRECTORY01.組合導(dǎo)航認(rèn)知與安裝02.組合導(dǎo)航故障檢測(cè)03.組合導(dǎo)航標(biāo)定03組合導(dǎo)航標(biāo)定GPS定位包括偽距單點(diǎn)定位、載波相位定位和實(shí)時(shí)差分定位。每個(gè)GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號(hào)，每組信號(hào)包括兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)（L1和L2）

13、、兩個(gè)不同的測(cè)距碼信號(hào)（C/A碼調(diào)制在L1載波上，P碼或Y碼同時(shí)調(diào)制在L1及L2載波上）以及衛(wèi)星的軌道信息，如圖所示。衛(wèi)星接收機(jī)根據(jù)不同的定位方式，將接收到的信號(hào)進(jìn)行不同的處理，得到定位坐標(biāo)。GPS定位-原理（1）偽距測(cè)量及偽距單點(diǎn)定位GPS定位-原理偽距測(cè)量就是測(cè)定衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。每個(gè)衛(wèi)星以每1毫秒一次的頻率播發(fā)偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)，若信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間為dT，乘以光速就能示得距離。通過(guò)4顆以上GPS衛(wèi)星的偽距，及從衛(wèi)星導(dǎo)航電文中獲得的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，采用距離交會(huì)法就能求出接收機(jī)的三維坐標(biāo)。偽隨機(jī)碼又稱為偽噪聲碼，是一種可以預(yù)先確定并可以重復(fù)地產(chǎn)生和復(fù)制，又具有隨機(jī)統(tǒng)計(jì)特性的二進(jìn)制

14、碼序列。衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射與接收的時(shí)間差（2）載波相位測(cè)量及載波相位定位GPS定位-原理載波相位測(cè)量是測(cè)定GPS衛(wèi)星載波信號(hào)到接收機(jī)天線之間的相位延遲。GPS衛(wèi)星載波上調(diào)制了測(cè)距碼和導(dǎo)航電文，接收機(jī)接收到衛(wèi)星信號(hào)后，先將載波上的測(cè)距碼和衛(wèi)星電文去掉，重新獲得載波，稱為重建載波。GPS接收機(jī)將衛(wèi)星重建載波與接收機(jī)內(nèi)由振蕩器產(chǎn)生的本振信號(hào)通過(guò)相位計(jì)比相，即可得到相位差。如圖所示。載波波長(zhǎng)L1=19cm，L2=24cm，比C/A碼波長(zhǎng)（C/A=293m）短得多，因此載波相位定位比偽距定位精度高得多。載波相位測(cè)距的衛(wèi)星信號(hào)（3）實(shí)時(shí)差分定位GPS定位-原理GPS實(shí)時(shí)差分定位的原理是在已有的精確地心坐標(biāo)點(diǎn)上安

15、放GPS接收機(jī)（稱為基準(zhǔn)站），利用已知的地心坐標(biāo)和星歷計(jì)算GPS觀測(cè)值的校正值，并通過(guò)無(wú)線電通信設(shè)備（稱為數(shù)據(jù)鏈）將校正值發(fā)送給運(yùn)動(dòng)中的GPS接收機(jī)（稱為流動(dòng)站），如圖所示。流動(dòng)站利用校正值對(duì)自己的GPS觀測(cè)值進(jìn)行修正，以消除上述誤差，從而提高實(shí)時(shí)定位精度。GPS動(dòng)態(tài)差分方法有多種，主要有位置差分、偽距差分( RTD)、載波相位實(shí)時(shí)差分(RTK)和廣域差分等。實(shí)時(shí)差分GPS定位系統(tǒng)GPS接收機(jī)GPS接收機(jī)是一種被動(dòng)式無(wú)線電定位設(shè)備，按不同用途分為導(dǎo)航型接收機(jī)、測(cè)地型接收機(jī)、授時(shí)型接收機(jī)和姿態(tài)測(cè)量型接收機(jī)；按接收機(jī)通道數(shù)可以分為多通道接收機(jī)、序貫通道接收機(jī)和多路復(fù)用通道接收機(jī)。GPS接收機(jī)主要由

16、GPS接收天線、GPS接收機(jī)主機(jī)和電源三部分組成。（1）GPS接收機(jī)天線GPS定位-原理GPS接收機(jī)天線由天線單元和前置放大器兩部分組成。天線的作用是將GPS衛(wèi)星信號(hào)的微弱電磁波能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電流，并通過(guò)前置放大器將接收到的GPS信號(hào)放大。（2）GPS接收機(jī)天線接收機(jī)主機(jī)由變頻器、信號(hào)通道、微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器組成。GPS信號(hào)接收機(jī)不僅需要功能較強(qiáng)的機(jī)內(nèi)軟件，而且需要一個(gè)多功能的GPS數(shù)據(jù)測(cè)后處理軟件包。接收機(jī)加處理軟件包，才是完整的GPS信號(hào)用戶設(shè)備。（3）GPS接收機(jī)電源GPS接收機(jī)電源有兩種，一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要對(duì)RAM存儲(chǔ)器供電；另一種為外接電源，常用可充電的12V直

17、流鎳鎘電池組。GNNS定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星基本三角定位原理、接收裝置以測(cè)量無(wú)線電信號(hào)的傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)-原理如圖所示。三個(gè)衛(wèi)星組成一個(gè)三角形，通過(guò)計(jì)算三個(gè)衛(wèi)星位置幾何數(shù)據(jù)，并融合同步計(jì)算結(jié)果，從而計(jì)算出當(dāng)前接收器的衛(wèi)星坐標(biāo)位置。通常，GPS接收器會(huì)使用第四顆衛(wèi)星的位置對(duì)前三個(gè)衛(wèi)星的位置測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)，以達(dá)到更好的效果。如圖所示，DGPS技術(shù)通過(guò)在一個(gè)精確的已知位置（基準(zhǔn)站）上安裝GPS監(jiān)測(cè)接收機(jī)，計(jì)算得到基準(zhǔn)站與GPS衛(wèi)星的距離，然后再根據(jù)誤差修正結(jié)果提高定位精度。差分GPS-原理差分GPS分為兩大類，即位置差分和距離差分。距離差分又分為兩類，即偽距差分和載波相位差分。目前，很

18、多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司如百度、小馬等，都采用了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)RTK（Real-Time Kinematic）技術(shù)。RTK技術(shù)是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)基站載波相位觀測(cè)量的差分方法，即將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶接收機(jī)，通過(guò)求差解算坐標(biāo)。RTK可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)，這也是很多智能網(wǎng)聯(lián)汽車公司采用RTK技術(shù)定位的原因。但 RTK也存在的一定的問(wèn)題：基站鋪設(shè)成本較高；非常依賴衛(wèi)星數(shù)量，比如在一些橋洞和高樓大廈的環(huán)境下，可視的衛(wèi)星數(shù)量會(huì)急劇下降；容易受到電磁環(huán)境干擾。在受到遮擋時(shí)，信號(hào)丟失，沒(méi)有辦法做定位。因此目前采用RTK定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)商用的可行性不高。差分GPS-原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)-原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，測(cè)量載體在