項(xiàng)目四 高精定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)21世紀(jì)技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車系列主編王皓張春蓉項(xiàng)目四高精度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)一高精地圖任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)三智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)及其檢修任務(wù)一高精度地圖一、基本概念高精度地圖在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用，除了包括導(dǎo)航、路徑規(guī)劃外，還包括為環(huán)境感知系統(tǒng)提供先驗(yàn)知識(shí)，輔助車載傳感器達(dá)到高精度定位的標(biāo)準(zhǔn)。因此，高精度地圖已被認(rèn)為是L3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛必備的關(guān)鍵技術(shù)。任務(wù)一高精度地圖與傳統(tǒng)地圖相比，高精度地圖的信息更加豐富，準(zhǔn)確性有了較大提升。高精度地圖包含以下信息：（1）道路參考線。為了實(shí)現(xiàn)車道級(jí)導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能，需要在原始地圖數(shù)據(jù)中抽象出道路結(jié)構(gòu)，形成由頂點(diǎn)組成的拓?fù)鋱D形結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，需要將道路以連續(xù)的曲線段表示。（2）道路連通性。除道路參考線外，高精度地圖還應(yīng)描述道路的連通性。例如路口沒有車道線的部分，需要將所有可能的行駛路徑抽象成道路參考線，在高精度地圖數(shù)據(jù)庫中體現(xiàn)。任務(wù)一高精度地圖（3）車道模型。除了記錄道路參考線、車道邊緣（標(biāo)線）和停車線外，高精度地圖數(shù)據(jù)庫還需要記錄無車道道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、車道數(shù)、道路坡度、功能屬性等。（4）對象模型。對象模型可記錄道路和車道行駛空間范圍邊界區(qū)域的元素，包括對象的位置、形狀和屬性值，任務(wù)一高精度地圖高精度地圖在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用領(lǐng)域，如路徑規(guī)劃與決策、高精度定位輔助、環(huán)境感知輔助等環(huán)節(jié)均發(fā)揮了重要作用。（1）路徑規(guī)劃與決策。高精度地圖可看作超視距傳感器，能夠識(shí)別極遠(yuǎn)距離的道路交通信息，可用于智能駕駛系統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃，還可以對局部路徑的規(guī)劃和優(yōu)化提供輔助。（2）高精度定位輔助。高精度地圖能識(shí)別并提供道路中的特征物（如標(biāo)識(shí)牌、龍門架等）的尺寸、形狀、高精度位置等語義信息，車載傳感器檢測到特征物時(shí)，就可以根據(jù)特征物信息去比對匹配內(nèi)存的語義信息，通過車輛和特征物之間的相對位置推測當(dāng)前車輛的高精度位置信息，如圖4-3所示。任務(wù)一高精度地圖（3）環(huán)境感知輔助。高精度地圖可以提高自動(dòng)駕駛汽車的數(shù)據(jù)處理速率，車輛在感知重構(gòu)周圍的三維環(huán)境時(shí)，將高精度地圖作為內(nèi)存知識(shí)庫，縮小數(shù)據(jù)處理時(shí)的搜索空間。詳細(xì)標(biāo)記高精度三維地圖上的道路信息，可以為自動(dòng)駕駛汽車的感知系統(tǒng)提供信息感知識(shí)別輔助，優(yōu)化感知系統(tǒng)的計(jì)算效率，提高識(shí)別精度，減少錯(cuò)誤識(shí)別的發(fā)生概率。任務(wù)一高精度地圖高精度三維地圖是在高精度地圖的靜態(tài)地圖信息的基礎(chǔ)上主動(dòng)添加動(dòng)態(tài)交通信息的地圖，如圖4-4所示。這些動(dòng)態(tài)的交通信息包含交通擁堵情況、道路施工、事故、交通管制以及天氣等。不同于如道路翻修、交通標(biāo)志磨損、車道線重新刷涂、交通標(biāo)志的改變等準(zhǔn)靜態(tài)交通信息，動(dòng)態(tài)交通信息可以通過定期對高精度地圖進(jìn)行更新來完成。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖二、高精度地圖的生產(chǎn)與采集生產(chǎn)高精度地圖，需要提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率和機(jī)器可讀性，地圖的存儲(chǔ)分為矢量層和對象層。在生產(chǎn)高精度地圖的過程中，通過提取車輛傳感器的數(shù)據(jù)采集單元可得到高精度地圖的信息特征值，生成特征地圖；進(jìn)一步提取、處理和矢量標(biāo)注，可得到道路網(wǎng)絡(luò)信息、道路屬性、幾何信息以及道路主要標(biāo)志的抽象信息。高精度地圖的生產(chǎn)過程如圖4-5所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖高精度地圖的數(shù)據(jù)采集方法如下：（1）實(shí)地采集，一般稱為“外業(yè)”。實(shí)地采集作為制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的實(shí)地操作完成。核心設(shè)備是激光雷達(dá)、高精度差分-慣導(dǎo)-衛(wèi)星定位系統(tǒng)。激光的反射可以形成點(diǎn)云，從而完成對環(huán)境中各種物體的采集，再通過高精度定位系統(tǒng)把行駛軌跡和環(huán)境中各種物體的高精度位置信息記錄下來。（2）加工，一般稱為“內(nèi)業(yè)”。加工是指對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，對高精度地圖所需要的信息進(jìn)行提取和表達(dá)，進(jìn)而形成高精度地圖的數(shù)據(jù)庫。加工方法包括：人工處理、深度的學(xué)習(xí)感知算法等，如圖4-6所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖集的數(shù)據(jù)完整性不足，則需要更為復(fù)雜的算法來補(bǔ)充數(shù)據(jù)的缺陷，反而容易產(chǎn)生更大的誤差。所以，在實(shí)地采集中，通常選擇較好的采集設(shè)備，其主要目的就是確保采集的數(shù)據(jù)的精確性，提高數(shù)據(jù)利用率。如圖4-7所示為高級(jí)地圖采集設(shè)備，包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。任務(wù)一高精度地圖（3）實(shí)時(shí)更新。隨著時(shí)間的推移，道路會(huì)因?yàn)槠茡p、翻修、路線規(guī)劃等原因發(fā)生變化。為了確保高精度地圖可靠、有效，需要及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行更新，這也是高精度地圖的重要維護(hù)工作，更新模式包括眾包和與交管部門合作等。如圖4-8所示為基于智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的高精度地圖更新模式。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖三、高精度地圖的其他形式1.眾包數(shù)據(jù)形式的高精度地圖對于需求急迫、前景廣闊的高精度地圖市場，傳統(tǒng)的現(xiàn)場采集模式存在更新周期長、生產(chǎn)及維護(hù)困難的問題，而且實(shí)際應(yīng)用中也受到各類政策及法規(guī)的限制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種通過眾包數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度地圖的模式，該模式除了能夠降低成本外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)更新，有著很大的優(yōu)勢。任務(wù)一高精度地圖目前，視覺算法與芯片供應(yīng)商Mobileye、零部件供貨商博世公司分別向市場呈現(xiàn)了其Roadbook和REM的眾包高精度地圖技術(shù)方案，這些方案通過安裝了車載傳感器的智能網(wǎng)聯(lián)汽車收集行駛路況和道路環(huán)境特征，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和圖像識(shí)別運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生成高精度地圖的眾包信息單元。數(shù)據(jù)取之于用戶，用之于用戶。該眾包模式不僅可以使得此類車輛的用戶擁有高精度地圖的使用權(quán)限，還可以享受高精度定位服務(wù)。現(xiàn)在，通用、日產(chǎn)、豐田、上汽等車輛主機(jī)廠均積極地采用眾包采集方式為各自旗下的汽車提供相關(guān)的服務(wù)。任務(wù)一高精度地圖2.地圖的構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位地圖的構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）是一種在機(jī)器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的地圖構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位技術(shù)，該技術(shù)使用激光、視覺、紅外感應(yīng)等傳感技術(shù)，把機(jī)器人在移動(dòng)過程中獲得的檢測環(huán)境信號(hào)傳回中樞運(yùn)算系統(tǒng)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域，該技術(shù)用于識(shí)別行駛過程中不同時(shí)刻的環(huán)境特征信息，并進(jìn)行拼接，然后對行駛環(huán)境進(jìn)行基于當(dāng)前傳感器信息的描述。這便是高精度地圖的構(gòu)建過程。任務(wù)一高精度地圖目前，高精度地圖的商業(yè)化應(yīng)用尚未成熟，大批創(chuàng)新企業(yè)和科研單位正在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究與探索。其中，使用SLAM構(gòu)建的高精度地圖傳感器主要有視覺傳感器和激光雷達(dá)，這類傳感器有著共同的特征：能夠獲取足夠豐富的環(huán)境信息，特別是行駛環(huán)境中的事物輪廓點(diǎn)云，使在兩個(gè)連續(xù)時(shí)刻采集的環(huán)境信息中有足夠豐富的特征點(diǎn)值用于拼接和匹配。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的分類全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）給航海、航空以及人們的日常生活帶來了巨大的變革。該系統(tǒng)是由多個(gè)可以覆蓋全球的衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，能保證地球上的任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻都能觀測到4顆衛(wèi)星，從而獲得觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度及高度，進(jìn)而為用戶提供三維位置和速度等信息，實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш健⒍ㄎ?、定時(shí)等功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，全球有三大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)：美國的GPS（GlobalPositioningSystem，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）、俄羅斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)使用最為廣泛的是美國的GPS。20世紀(jì)70年代初，美國國防部設(shè)計(jì)開發(fā)了該系統(tǒng)，并在1993年建成投入使用。GPS包含24顆衛(wèi)星，它們均勻地分布在地球的6個(gè)軌道面上，傾角為55°，軌道面間相距60°，也就是說軌道的高度是60°。在各軌道面上，衛(wèi)星間的仰角間隔為90°，一個(gè)軌道面上的衛(wèi)星比其相鄰軌道面上相應(yīng)的衛(wèi)星提前30°，如圖4-9所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)20世紀(jì)90年代后期，我國開始著手探索適合中國國情的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展道路，已經(jīng)逐步形成了我國導(dǎo)航衛(wèi)星事業(yè)的“三步走”戰(zhàn)略：在2000年底，建成“北斗一號(hào)”系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年底，建成“北斗二號(hào)”系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；在2020年前后，建成“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”，向全球提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)；預(yù)計(jì)在2035年前建成更加完善、融合、智能的綜合時(shí)空體系。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.GPS的構(gòu)成（1）GPS是由地面控制部分、空間部分和終端用戶設(shè)備部分組成的。1）地面控制部分。GPS的地面控制部分包括主控站（負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作）、注入站（在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航信息）、監(jiān)測站（數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心）和通信輔助系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸），如圖4-10所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)GPS地面控制部分又稱運(yùn)控系統(tǒng)（OCS），由遍布全世界的地面站組成，包括1個(gè)位于美國范登堡空軍基地的主控站（MCS），5個(gè)分別位于夏威夷島、范登堡空軍基地、阿森松島、迭戈加西亞島以及夸賈林島的監(jiān)控站，3個(gè)用于給在軌衛(wèi)星上傳信息的大型地面天線站。地面控制部分主要用于收集在軌衛(wèi)星運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，診斷系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星。地面控制部分的另一個(gè)重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，即GPS時(shí)，這就需要地面控制部分監(jiān)測各顆衛(wèi)星的星載原子鐘信息，求出鐘差，然后由注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再通過導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)①主控站。主控站擁有以大型計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備，對地面控制系統(tǒng)實(shí)行全面控制，主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況等，以及監(jiān)測站自身的狀態(tài)，然后根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘改正值、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號(hào)的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)②監(jiān)控站。監(jiān)控站安裝有高精度原子鐘、高精度GPS用戶接收機(jī)，用于監(jiān)控整個(gè)地面控制系統(tǒng)是否工作正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”正常軌道；采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給主控站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)③注入站。范登堡空軍基地監(jiān)控站同時(shí)具有信息上注功能，又稱注入站，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入衛(wèi)星，在每顆GPS衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的信息注入。④通信輔助系統(tǒng)。衛(wèi)星通信是指在衛(wèi)星上安裝一個(gè)具有一定功率的轉(zhuǎn)發(fā)器，對地面的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)處理，并傳送到另一地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)及以上地點(diǎn)之間的通信。汽車上的導(dǎo)航定位信息通信通常要基于地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)是較為專業(yè)的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該技術(shù)可以用于勘探、測繪以及路線規(guī)劃等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2）空間部分。GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成的，位于距地表20200km的上空，運(yùn)行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上，軌道傾角為55°。每個(gè)工作的衛(wèi)星可發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)和定位信號(hào)，終端用戶可以利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航與定位。由于大氣摩擦等問題，隨著時(shí)間的推移，GPS的導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3）終端用戶設(shè)備部分。終端用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)，其主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到衛(wèi)星信號(hào)后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（2）GPS導(dǎo)航和定位過程中的誤差處理。GPS導(dǎo)航和定位過程中出現(xiàn)的各種誤差，根據(jù)來源可分為三類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；與接收機(jī)有關(guān)的誤差。這些誤差對GPS定位的影響各不相同，且誤差的大小還與衛(wèi)星的位置、待定點(diǎn)的位置、接收機(jī)設(shè)備、觀測時(shí)間、大氣環(huán)境以及地理環(huán)境等因素有關(guān)。具體處理時(shí)，針對不同的誤差采用不同的方法。此外，由于使用的不是同步衛(wèi)星，因此必須對衛(wèi)星時(shí)間進(jìn)行修正。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其標(biāo)識(shí)如圖4-11所示。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，是可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)的國家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，并且具備短報(bào)文通信能力。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）空間段。北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成。（2）地面段。北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。（3）用戶段。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）北斗系統(tǒng)空間段采用的是3種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。（2）北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過多頻信號(hào)組合等方式提高服務(wù)精度。（3）北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)4.現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的基本原理現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是利用衛(wèi)星作為參考基點(diǎn)，測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，同時(shí)在地面上進(jìn)行三角交叉測量，進(jìn)而計(jì)算得出接收機(jī)位置。通過測量未知點(diǎn)與已知衛(wèi)星間的瞬時(shí)間距實(shí)現(xiàn)定位，具體測量方法有虛擬距離觀測法和載波相位觀測法。因?yàn)檩d波相位測量的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于虛擬距離測量的精度，所以載波相位觀測法主要用于高精度測量。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)測量計(jì)算的基本原理是三球交會(huì)定位原理，如圖4-12所示。衛(wèi)星發(fā)射測距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，進(jìn)而測量出測站點(diǎn)（用戶接收機(jī)）至3顆衛(wèi)星的距離，解算出衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，再利用距離交會(huì)法（從兩個(gè)已知點(diǎn)測量至某一待測點(diǎn)的距離，然后根據(jù)這兩段距離的交點(diǎn)確定該待測點(diǎn)）解算出測站點(diǎn)的位置。整個(gè)過程就是三球交會(huì)定位原理在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的體現(xiàn)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，GPS、GLONASS、伽利略和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理是相同的，均采用三球交會(huì)定位基本原理，具體流程如下：（1）用戶測量出自身到3顆衛(wèi)星的距離。（2）衛(wèi)星的精確位置已知，通過電文播發(fā)給用戶。（3）以衛(wèi)星為球心、衛(wèi)星至用戶的距離為半徑畫球面。（4）3個(gè)球面相交得到2個(gè)點(diǎn)，根據(jù)地理常識(shí)排除一個(gè)不合理點(diǎn)，即得用戶位置。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)5.衛(wèi)星導(dǎo)航定位與慣性導(dǎo)航的聯(lián)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的定位系統(tǒng)，具有應(yīng)用便捷、成本低等特點(diǎn)，且定位精度較好，可以達(dá)到5m。但是應(yīng)用的普遍性也使該系統(tǒng)易受到干擾，在動(dòng)態(tài)變化的使用場景中可靠性降低、數(shù)據(jù)的傳輸頻率降低，在高層建筑中衛(wèi)星信號(hào)較易受阻。倘若能將衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)融合起來，則兩個(gè)系統(tǒng)可以相互補(bǔ)充、相輔相成，形成高效、可靠、穩(wěn)定的融合系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）也稱作慣性參考系統(tǒng)，簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，通過慣性測量組件（IMU）測量載體相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)推算載體的瞬時(shí)速度和位置信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將陀螺儀和加速度計(jì)等慣性元件通過萬向支架角運(yùn)動(dòng)隔離系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)載物固聯(lián)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性測量元件（陀螺儀和加速度計(jì)）直接安裝在諸如需要姿態(tài)、速度、航向等導(dǎo)航信息的主體上，用計(jì)算機(jī)把測量信號(hào)變換為導(dǎo)航參數(shù)的一種導(dǎo)航技術(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括陀螺儀和加速度計(jì)，又稱慣性導(dǎo)航組合。3個(gè)自由度陀螺儀用來測量飛行器的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；3個(gè)加速度計(jì)用來測量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測得的加速度信息計(jì)算飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）陀螺儀。陀螺儀是慣性系統(tǒng)的主要元件，結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。

陀螺儀具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性，人們利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角位移的位置陀螺。由于光學(xué)技術(shù)、MEMS技術(shù)等被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統(tǒng)稱為陀螺儀。陀螺儀種類較多，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支撐系統(tǒng)可分為滾珠軸承支撐陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺（動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉(zhuǎn)換成慣性系統(tǒng)中可用的信號(hào)，需在陀螺儀上安裝信號(hào)傳感器；為了能控制陀螺儀按一定的規(guī)律進(jìn)動(dòng)，需在陀螺儀上安裝力矩器。（2）加速度計(jì)。加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一，可幫助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號(hào)。載體加速度的測量必須十分準(zhǔn)確，且要在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標(biāo)系中進(jìn)行。在不需要進(jìn)行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，兩個(gè)加速度計(jì)即可完成以上任務(wù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)加速度計(jì)的分類：按輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計(jì)包括擺式積分加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)和撓性擺式加速度計(jì)，非擺式加速度計(jì)包括振梁加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)；按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度（優(yōu)于10?4m/s2）、中精度（10-2m/s2～10-3m/s2）和低精度（低于0.1m/s2）。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)過程中，該系統(tǒng)既不向載體外部發(fā)送信號(hào)，也不接收外部環(huán)境的信號(hào)，它是一種完全自動(dòng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)還可協(xié)助接收器天線與導(dǎo)航衛(wèi)星定位校準(zhǔn)，進(jìn)而減少干擾對系統(tǒng)內(nèi)部的影響。針對導(dǎo)航載波相位測量，慣性導(dǎo)航能夠很好地解決衛(wèi)星定位時(shí)的周期跳變和信號(hào)缺失后全周模糊度參數(shù)的重新計(jì)算問題。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）由于該系統(tǒng)是不依賴任何外部信息、不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好、不受外界電磁干擾的影響。（2）可全天候、全球、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下。（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的導(dǎo)航信息的連續(xù)性好且噪聲低。（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)航信息需經(jīng)過積分產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間增大，長期精度差。（2）每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時(shí)間。（3）設(shè)備價(jià)格較昂貴。（4）不能給出時(shí)間信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.INS和GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)的原理與應(yīng)用組合導(dǎo)航技術(shù)是指采用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對同一信息進(jìn)行測量，從測量數(shù)據(jù)中計(jì)算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，并進(jìn)行校正的導(dǎo)航技術(shù)。采用組合導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)INS是利用安裝在載體上的敏感慣性元件檢測載體的運(yùn)動(dòng)情況，然后將載體的姿態(tài)和位置信息輸出，具有很強(qiáng)的自主性、保密性和靈活機(jī)動(dòng)性，而且可以輸出多功能參數(shù)。但因?yàn)镮NS的導(dǎo)航精度會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，所以不可以長久地單獨(dú)運(yùn)行，需要不斷校正。GNSS要接收足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號(hào)，才可以實(shí)現(xiàn)定位功能，雖然定位較為準(zhǔn)確，但是更新頻率低，很難滿足準(zhǔn)確實(shí)時(shí)計(jì)算的要求，而且會(huì)受到多種物理、電磁信號(hào)等的影響。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)GNSS和INS具有互補(bǔ)性。因?yàn)镮NS使用了高頻傳感器，所以在較短時(shí)間內(nèi)，INS的誤差比GNSS小，但長時(shí)間運(yùn)行后，必須通過GNSS的離散測量值進(jìn)行優(yōu)化校正，抓取系統(tǒng)離散量，達(dá)到迅速估計(jì)狀態(tài)值和收斂的目的。GNSS和INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)能通過卡爾曼濾波器處理傳感器的測量值，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的高精度定位信息。卡爾曼濾波器主要包括兩個(gè)部分：預(yù)測部分是依據(jù)最后的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)位置信息，得出預(yù)測的當(dāng)前實(shí)時(shí)位置信息；更新部分則是通過對目的位置的當(dāng)前實(shí)時(shí)測量值校正修改位置預(yù)測，得出更新的目的信息位置。如圖4-14所示為INS和GNSS的組合導(dǎo)航原理圖。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)GNSS和INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)能通過卡爾曼濾波器處理傳感器的測量值，進(jìn)而得到更為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的高精度定位信息。卡爾曼濾波器主要包括兩個(gè)部分：預(yù)測部分是依據(jù)最后的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)位置信息，得出預(yù)測的當(dāng)前實(shí)時(shí)位置信息；更新部分則是通過對目的位置的當(dāng)前實(shí)時(shí)測量值校正修改位置預(yù)測，得出更新的目的信息位置。如圖4-14所示為INS和GNSS的組合導(dǎo)航原理圖。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)三、高精度定位實(shí)現(xiàn)方式的總結(jié)在具有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，實(shí)現(xiàn)定位的方式多種多樣，包括磁感應(yīng)定位、慣性導(dǎo)航定位、差分定位、視覺與激光雷達(dá)地圖信息相匹配定位等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)三、高精度定位實(shí)現(xiàn)方式的總結(jié)在具有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，實(shí)現(xiàn)定位的方式多種多樣，包括磁感應(yīng)定位、慣性導(dǎo)航定位、差分定位、視覺與激光雷達(dá)地圖信息相匹配定位等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)1.磁感應(yīng)定位磁感應(yīng)定位是利用磁感應(yīng)來確定物體位置即一定方向速度的測量方式。最簡單的磁感應(yīng)定位是利用地球磁場確定方向（指北針）。磁感應(yīng)定位的基本原理非常簡單：在金屬線圈中通交變電流便可以在周圍產(chǎn)生交變磁場，使用附近的其他線圈即可感應(yīng)出交變感應(yīng)電動(dòng)勢。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.慣性導(dǎo)航定位慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種不依賴外部信息也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還包括水下。慣性導(dǎo)航的基本工作原理：以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，對時(shí)間進(jìn)行積分，再將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，即可得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。基本原理是從一已知點(diǎn)的位置根據(jù)連續(xù)測得的運(yùn)動(dòng)體航向角和速度推算出其下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出運(yùn)動(dòng)體的當(dāng)前位置。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計(jì)的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，并給出