智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論 課件 3-2 了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車導(dǎo)航定位系統(tǒng)的類型及應(yīng)用

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論

能力模塊三掌握高精度地圖與定位系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用方式任務(wù)二

了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車導(dǎo)航定位系統(tǒng)的類型及應(yīng)用新授Newteaching1目錄一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

GPS是由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面監(jiān)控設(shè)備和用戶設(shè)備組成的，如圖所示。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS）是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。（一）GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)的組成一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（一）GPS系統(tǒng)的組成

1.導(dǎo)航衛(wèi)星

GPS的空間部分的24顆工作衛(wèi)星組成一個GPS衛(wèi)星組，其中21顆是導(dǎo)航衛(wèi)星，3顆是活動衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星以55°的軌道傾角繞地球運行，形成6個地球橢圓軌道面，每個軌道面上都有4顆衛(wèi)星。各軌道平面的升交點赤經(jīng)相差60度，一個軌道平面上的衛(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度。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

1.導(dǎo)航衛(wèi)星

這些衛(wèi)星每12h環(huán)繞地球一圈，在地球上的任何地方、任何時間都可以觀測到4顆以上的GPS衛(wèi)星，保持定位的精度從而提供連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?dǎo)航衛(wèi)星如圖所示，導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)是發(fā)射導(dǎo)航和定位信號，用戶可以使用這些信號來實現(xiàn)導(dǎo)航。導(dǎo)航衛(wèi)星（一）GPS系統(tǒng)的組成地面監(jiān)控設(shè)備由1個主控站、4個注入站和6個監(jiān)測站組成，它們的任務(wù)是實現(xiàn)對導(dǎo)航衛(wèi)星的控制。主控站擁有許多以計算機為主體的設(shè)備，用于收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編算出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時間系統(tǒng)，將預(yù)測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及大氣傳播改正編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站，并進行衛(wèi)星軌道和時鐘校正參數(shù)計算，調(diào)整衛(wèi)星運行姿態(tài)，糾正衛(wèi)星軌道偏差，同時還協(xié)助、指揮、管理空間衛(wèi)星和地面監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控衛(wèi)星對用戶的指令發(fā)送。注入站將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器。監(jiān)測站為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)2.地面監(jiān)控設(shè)備（一）GPS系統(tǒng)的組成用戶設(shè)備主要由衛(wèi)星導(dǎo)航接收機和衛(wèi)星天線組成。它的主要功能是根據(jù)一定的衛(wèi)星截止角捕獲被測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行情況。GPS接收機的主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤衛(wèi)星運行；對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理；測量出信號傳播的時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文；實時計算出測站的三維信息，甚至三維速度和時間。GPS數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能是對GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并對處理的結(jié)果進行平差計算、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和分析綜合處理，計算出用戶所在位置的三維坐標(biāo)、速度、方向和精確時刻等。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)3.用戶設(shè)備（一）GPS系統(tǒng)的組成GPS定位原理是根據(jù)三角測量定位來實現(xiàn)的，并且同時利用相關(guān)技術(shù)獲取觀測值。在相關(guān)接收中，衛(wèi)星鐘用來控制衛(wèi)星發(fā)射的偽隨機信號，本地時鐘用來控制用戶接收機的偽隨機信號，兩者之間有比較大的時差。GPS用戶終端可以同時跟蹤4顆GPS衛(wèi)星，并捕獲其信號，這里，將兩時鐘之間的時差作為未知量，使其和觀測點坐標(biāo)共同組成一個四元方程組，所得的解就是觀測點的經(jīng)緯度坐標(biāo)和時差，使用這種方法進行定位可以得到較高的定位精度。這個觀測值通常被稱為偽距觀測量。此觀測值被稱為偽距的原因是：第一，它是以地表和衛(wèi)星之間的距離為變量的函數(shù)；第二，由于大氣效應(yīng)和時鐘誤差的影響，與實際的距離之間存在偏差。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（二）GPS定位原理一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

（三）GPS系統(tǒng)的特點全球全天候定位因為GPS衛(wèi)星的數(shù)目較多，且分布均勻，能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續(xù)的、全天候的導(dǎo)航定位能力，用戶不用發(fā)射信號，因而能滿足多用戶使用。實時導(dǎo)航利用GPS定位時，在1s內(nèi)可以取得幾次位置數(shù)據(jù)，這種近乎實時的導(dǎo)航能力對于高動態(tài)用戶具有很大的意義，同時能為用戶提供連續(xù)的三維位置、三維速度和精確的時間信息。覆蓋范圍廣利用GPS定位時，在1s內(nèi)可以取得幾次位置數(shù)據(jù)，這種近乎實時的導(dǎo)航能力對于高動態(tài)用戶具有很大的意義，同時能為用戶提供連續(xù)的三維位置、三維速度和精確的時間信息。定位精度高GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)6～10m，100～500km可達(dá)7～10m，1000km可達(dá)9～10m。一、GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)

（三）GPS系統(tǒng)的特點觀測時間短20km以內(nèi)的相對靜態(tài)定位僅需15～20min；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距15km以內(nèi)時，流動站觀測時間只需1～2min；采取實時動態(tài)定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標(biāo)GPS系統(tǒng)建立在WGS-84坐標(biāo)系中，可同時精確測定測站平面位置和大地高程。測站之間無需通視GPS測量只要求測站上空開闊，不要求測站之間互相通視，這既可大大減少測量工作所需的經(jīng)費和時間，也使選點工作更靈活，可省去經(jīng)典測量中的傳算點、過渡點等的測量工作。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，如圖所示。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，其建設(shè)與發(fā)展則遵循開放性、自主性、兼容性、漸進性這4項原則。（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由35顆衛(wèi)星組成，其中地球靜止軌道衛(wèi)星5顆、中地軌道衛(wèi)星27顆、傾斜同步軌道衛(wèi)星3顆。五顆地球靜止軌道衛(wèi)星的固定位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛(wèi)星運行在三個軌道面上，軌道面均勻分布120°。1.空間段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站組成。2.地面段二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站組成。2.地面段0301主控站用于系統(tǒng)運行管理和控制，接收來自監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，并對其進行處理，生成衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息，然后將信息傳送到注入站進行發(fā)送。02注入站用于向衛(wèi)星發(fā)送信號、控制和管理衛(wèi)星，在接收到主控站調(diào)度后，向衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航信息和差分完整性信息。監(jiān)測站用于接收衛(wèi)星信號并將其發(fā)送到主控站進行衛(wèi)星監(jiān)測，以確定衛(wèi)星軌道，并為時間同步提供觀測。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶段由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端組成。接收器需要捕捉和跟蹤衛(wèi)星的信號，并根據(jù)數(shù)據(jù)以一定的方式進行定位計算，最終獲得用戶的緯度、經(jīng)度、海拔、速度、時間等信息。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以為全世界各種用戶提供全天候、高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航和定時服務(wù)，具有短消息通信能力，最初提供了區(qū)域?qū)Ш健⒍ㄎ缓投〞r功能，定位精度為10米，測速精度為0.2m/s，定時精度為10ns。3.用戶段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用戶段（一）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組成二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗一代和北斗二代定位系統(tǒng)都是采用偽距法進行導(dǎo)航定位。該方法的基本定位思想是三球交匯定位原理。北斗一代系統(tǒng)由于其觀測量較少并且其工作方式是有源定位，使得北斗一代與北斗二代在定位原理和精度有所不同。（二）北斗衛(wèi)星定位原理北斗二代是典型的RNSS系統(tǒng)。北斗二代系統(tǒng)定位原理與GPS類似，至少需要4顆衛(wèi)星，其測算距離，確定用戶位置。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2.北斗二代衛(wèi)星定位原理（二）北斗衛(wèi)星定位原理1.北斗一代衛(wèi)星定位原理北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理是基于三球交匯原理進行定位，以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為球心，兩球心至用戶的距離為半徑，可畫出兩個球面，用戶機必然位于這兩個球面交線的圓弧上。另一個球面是以地心為球心，畫出以用戶所在位置點至地心的距離為半徑的球面，三個球面的交匯點即為用戶位置。二、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（三）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的特點精密授時最大用戶數(shù)每小時可以供540000戶。沒有通信盲區(qū)，覆蓋范圍大定位與短報文通信保密性強自主系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定，適合關(guān)鍵部門應(yīng)用。定位精度準(zhǔn)確，更新快水平精度100m（1σ），設(shè)立標(biāo)校站之后為20m（類似差分狀態(tài)），工作頻率為2491.75MHz。具有精密授時功能，可向用戶提供20～100ns時間同步精度。在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。同時具備定位與通信功能，用戶終端具有雙向報文通信功能三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性測量單元慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem，INS)，簡稱為慣導(dǎo)，是一種不依賴于外部信息，也不向外部輻射能量，基于慣性測量單元（IMU）測量的角速度和加速度信息，使用軟件對信息進行數(shù)據(jù)分析的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，如圖所示為慣性測量單元（IMU）。具體來說，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)屬于一種推算導(dǎo)航系統(tǒng)，即從一已知點的位置根據(jù)連續(xù)測得的運動載體航向角和速度推算出其下一點的位置，因而可連續(xù)測出運動體的當(dāng)前位置。三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（一）慣性傳感器分類慣性傳感器分為兩大類：測量角速度的陀螺儀和測量加速度的線加速度計。1.陀螺儀分類陀螺儀又分為機械干式、液浮、半液浮、氣浮角速度陀螺儀，撓性角速度陀螺儀，MEMS硅、石英角速度陀螺儀（含半球諧振角速度陀螺儀等），光纖角速度陀螺儀，激光角速度陀螺儀等。2.線加速度計分類線加速度計又分為機械式線加速度計，撓性線加速度計，MEMS硅、石英線加速度計（含壓阻、壓電線加速度計），石英撓性線加速度計等。三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量單元（IMU）、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量單元（IMU）包括加速度計和陀螺儀，又稱慣性導(dǎo)航組合。一般情況，一個IMU包含了3個單軸的加速度計和3個單軸的陀螺儀，也可能包含磁力計，如表所示IMU的組合形式。1.慣性測量單元（IMU）自由度組成測量內(nèi)容6DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀線性+旋轉(zhuǎn)速率9DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場10DOF3軸加速度計+3軸陀螺儀+3軸磁力計+氣壓計線性+旋轉(zhuǎn)速率+磁場+高度（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性測量單元自由度示意圖1.慣性測量單元（IMU）（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)加速度計示意圖輸出電壓輸入電壓電位計彈簧感受軸線感受軸線1.慣性測量單元（IMU）（1）加速度計用來測量瞬時加速度信息，根據(jù)計算獲得載體的瞬時速度和位置。（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.慣性測量單元（IMU）（2）轉(zhuǎn)動運動，可以測量瞬時角速率或角位置信息，提供各軸（及其上加速度計）在各時刻的方向。如圖所示，陀螺儀是一種繞支點高速旋轉(zhuǎn)的物體，其結(jié)構(gòu)組成一般由轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)輪）、內(nèi)框和外框組成。當(dāng)它在高速運行時，可以直立地立在地面上而不會傾倒。這表明高速旋轉(zhuǎn)的物體具有保持其旋轉(zhuǎn)軸方向恒定的特性。陀螺儀（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)目前，慣性導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了高精度、高可靠性、低成本、小型化、數(shù)字化，陀螺儀精度不斷提高，漂移高達(dá)6°～10°/h。另外，RLG、FOG、MEMS等新型固態(tài)陀螺儀技術(shù)的成熟，也推動慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。2.計算機控制顯示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)，實現(xiàn)功能。3.控制顯示器計算機根據(jù)測得的加速度信號計算出速度和位置數(shù)據(jù)。（二）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）的工作機理是建立在牛頓經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上的：一個物體如果沒有外力作用，將保持靜止或勻速直線運動。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可以得到以下測量過程：如果能夠測到加速度，通過加速度對時間的兩次積分能夠獲得位移，以此實現(xiàn)位置定位；如果能夠測量到角速度，通過積分可以獲取位置信息，將它們結(jié)合在一起可以獲得物體的實際狀態(tài)。（三）慣性導(dǎo)航傳感器工作原理慣性導(dǎo)航傳感器工作原理慣性導(dǎo)航傳感器能夠測量高精度位置、速度、姿態(tài)信息。隨著技術(shù)發(fā)展，慣性導(dǎo)航傳感器的發(fā)展趨勢是與GPS定位傳感器融合集成為一個傳感器。三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（1）由于它是不依賴于任何外部信息，也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，故隱蔽性好，且不受外界電磁干擾的影響。（2）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)性好且噪聲小。（3）可全天候地工作于空中、地面乃至地下。（4）數(shù)據(jù)更新率高，短期精度和穩(wěn)定性好。1.慣性傳感器的優(yōu)點（四）慣性導(dǎo)航傳感器的特性三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（1）偏移誤差，表現(xiàn)為陀螺儀和加速度計即使在沒有旋轉(zhuǎn)或加速的情況下也會有非零的數(shù)據(jù)輸出。位移數(shù)據(jù)是對加速度計的輸出進行兩次積分，因此，兩次積分后，即使很小的偏移誤差也會被放大。隨著時間推進，位移誤差會不斷積累，最終導(dǎo)致無法再跟蹤汽車的位置。（2）比例誤差，即所測量的輸出和被檢測輸人的變化之間的比例的誤差。與偏移誤差相似，在兩次積分后，隨著時間推進，其造成的位移誤差也會不斷積累。（3）背景白噪聲，該誤差如果不糾正，也會導(dǎo)致無法再跟蹤汽車的位置。（4）初始對準(zhǔn)時間較長，每次使用之前需要較長的初始對準(zhǔn)時間。1.慣性傳感器的缺點（四）慣性導(dǎo)航傳感器的特性三、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為了糾正這些誤差，必須對慣性傳感器進行校準(zhǔn)，找出偏移誤差、比例誤差，然后使用校準(zhǔn)參數(shù)對慣性傳感器原數(shù)據(jù)進行修正。但是，慣性傳感器的誤差也會隨著溫度而變化。即使校準(zhǔn)得再好，隨著時間的推進，位移的誤差還是會不斷積累，所以很難單獨使用慣性傳感器對汽車進行定位。例如:一個盲人到了某個地方，只能根據(jù)自己的經(jīng)驗，極為謹(jǐn)慎地走小碎步，并不斷用手摸周圍的東西，用以確定自己所在的位置，在黑暗中，由于盲人對步長的估計和實際走的距離存在誤差，走的步數(shù)越來越多時，盲人估計的位置與實際的位置相差會越來越遠(yuǎn)。（四）