汽車導(dǎo)航技術(shù)已成為時下熱門話題，但在實際應(yīng)用GPS進行導(dǎo)航時卻依然存在定位精度、外部干擾、信號屏蔽等問題。針對這些問題，本文提出了搭建IMU/GPS/RDSS組合汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計理念。

隨著信息融合技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車導(dǎo)航技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息融合技術(shù)，將高精度導(dǎo)航定位技術(shù)與導(dǎo)航地圖相結(jié)合，為司機提供直觀、詳盡的導(dǎo)航功能，有效提升交通運輸與物流周轉(zhuǎn)效率。

雙向互補提升精度

目前，國內(nèi)的常規(guī)汽車導(dǎo)航應(yīng)用都是基于GPS系統(tǒng)構(gòu)建的。但是，GPS存在著導(dǎo)航衛(wèi)星信號容易受到外部干擾或屏蔽的問題。例如，當車輛行駛在城市高樓區(qū)、林蔭道、涵洞隧道、地下隧道中時，由于衛(wèi)星信號受到遮擋而容易暫時“丟失”，GPS接收機此時就無法給出定位解或定位精度很差。

另外一種被廣泛實用的車輛定位系統(tǒng)是航位推算系統(tǒng)（DR），它利用陀螺儀及里程計的傳感信息來實時地記錄和推算車輛的當前位置，可以實現(xiàn)連續(xù)、自主的導(dǎo)航定位，抗干擾性強。但是，DR的方向傳感器誤差較大且隨時間積累，而且在導(dǎo)航開始前需要預(yù)先知道車輛的初始位置和方向，這就讓DR無法被單獨、長時間地使用。

由此可見，單獨的GPS或DR均不能很好地提供車輛導(dǎo)航所需的精確、連續(xù)、可靠的導(dǎo)航定位信息。對于民用車輛而言，GPS能夠在絕大多數(shù)情況下完成高精度的導(dǎo)航定位，但仍然存在著當車輛行駛在一定環(huán)境下衛(wèi)星信號暫時“丟失”而無法定位的問題；而對于諸如運鈔車、警車、救護車這樣的特殊車輛而言，由于要執(zhí)行特殊任務(wù)，在行駛過程中必須對其進行連續(xù)、可靠的導(dǎo)航定位，以便指揮中心隨時掌握它們所處的位置，顯然僅僅依靠GPS無法滿足上述要求。

因此，為了能夠不間斷地獲得既精確又可靠的導(dǎo)航定位信息，可以利用現(xiàn)代信息融合技術(shù)，將來自GPS接收機、DR以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)的多個導(dǎo)航信息融合到一起構(gòu)成智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)，充分發(fā)揮各導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點，取長補短。例如，將上面的GPS與DR通過信息融合技術(shù)構(gòu)成GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以克服GPS衛(wèi)星信號“丟失”情況下的定位問題，還可以克服DR系統(tǒng)精度低和誤差隨時間積累的缺陷。

目前，國外在設(shè)計車輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)時，習(xí)慣采用以慣性測量器件與GPS為主要導(dǎo)航系統(tǒng)，并結(jié)合里程儀、多普勒雷達測速系統(tǒng)等導(dǎo)航系統(tǒng)，利用信息融合技術(shù)，構(gòu)成智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)，從而實現(xiàn)高精度、高可靠性、高智能化、高容錯性等功能。

在國內(nèi)，東南大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等對車輛智能組合導(dǎo)航系統(tǒng)也開展了相應(yīng)的研究：東南大學(xué)研究設(shè)計了一種“車載GPS/DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)”，定位誤差為±90m；北京航空航天大學(xué)研究設(shè)計了一種“GPS/INU（慣性導(dǎo)航）/MM（地圖匹配）車輛定位系統(tǒng)”，其組合定位誤差達到±40m。但是，上述車輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)目前均還處于理論研究和實驗仿真階段，尚未進入正式的產(chǎn)品定型與生產(chǎn)階段。

搭建組合式汽車導(dǎo)航

在借鑒國外關(guān)于汽車導(dǎo)航的有關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)在慣性導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)等領(lǐng)域所達到的實際水平，筆者提出了將慣性測量裝置（IMU）、GPS接收機、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（RDSS）收機利用信息融合技術(shù)將它們有機地結(jié)合起來，構(gòu)成IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（RDSS），是我國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是除美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后第三個較為成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三維定位精度約幾十米，授時精度約100ns，目前已成功研制出配套的北斗導(dǎo)航接收機。盡管在效率、定位精度以及抗干擾能力上還遠不及美國的GPS，但完全可以作為組合導(dǎo)航系統(tǒng)中GPS的一個有效備份。當GPS出現(xiàn)故障或者被人為注入一些干擾誤差時，北斗接收機完全可以替代GPS，為車輛提供高精度的定位信息。

在筆者所提出的IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，當IMU、GPS、RDSS三者均正常工作時，利用信息融合技術(shù)對來自三者的導(dǎo)航信息進行最優(yōu)信息融合，獲得最優(yōu)的導(dǎo)航定位參數(shù)；當GPS和RDSS的衛(wèi)星信號短暫“丟失”時，可以由IMU獨立進行導(dǎo)航定位；而當GPS被惡意關(guān)閉而長時間失效時，就采用IMU/RDSS的組合導(dǎo)航方式，從而實現(xiàn)高精度、高可靠性的連續(xù)導(dǎo)航功能。

在該IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，為了在提高系統(tǒng)精度與降低產(chǎn)品成本之間尋求良好的性價比關(guān)系，筆者研究設(shè)計了一種低成本的慣性測量裝置，采用一個低精度的壓電晶體速率陀螺儀和兩個石英固體加速度計作為IMU的慣性測量元件。其中，壓電晶體速率陀螺儀作為方向傳感器，用以測量車輛航向角的變化率；兩個石英固體加速度計作為速度傳感器，分別排列在車輛的縱、橫平面，用以測量車輛的加速度信息。

四步貫通信息技術(shù)融合

該汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度和高可靠性，將主要通過以下幾個途徑來實現(xiàn)：

1.采用聯(lián)邦卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計IMU/GPS、IMU/RDSS組合導(dǎo)航子濾波器，將子濾波器輸出的導(dǎo)航參數(shù)估計值送入主濾波器進行全局最優(yōu)信息融合，得到導(dǎo)航參數(shù)的全局最優(yōu)估計；

2.定期對IMU的系統(tǒng)誤差進行反饋校正，將其誤差始終鉗制在較小范圍內(nèi)；

3.針對汽車行駛過程中，存在器件數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計噪聲未知或近似的情況，采用一種適用于系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣未知情況下的自適應(yīng)卡爾曼濾波方法，既能有效增強系統(tǒng)的自適應(yīng)性，又能提高系統(tǒng)定位精度；

4.綜合運用子系統(tǒng)狀態(tài)評估、故障檢測與隔離、自適應(yīng)信息分配原則等現(xiàn)代信息融合技術(shù)，在獲得最優(yōu)融合導(dǎo)航信息的同時，有效地提高整個組合導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯能力和可靠性。

經(jīng)過計算機仿真與跑車試驗證明，該IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅有效解決了衛(wèi)星信號短暫“丟失”時的導(dǎo)航定位問題，而且具有較高的導(dǎo)航定位精度。在7200s的行駛時間內(nèi)，如果衛(wèi)星定位系統(tǒng)工作正常，該系統(tǒng)的定位誤差能保持在±5m以內(nèi)（高于GPS的10m定位精度）；如果GPS長期失效而RDSS正常工作，則系統(tǒng)的定位誤差能保持在±20m以內(nèi)；而如果GPS和RDSS均失效（衛(wèi)星信號受到遮擋而短暫“丟失”，假設(shè)失效時間為200s），則系統(tǒng)的定位誤差能保持在±30m以內(nèi)。特別是該組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用了三個導(dǎo)航子系統(tǒng)以及聯(lián)邦卡爾曼濾波的機構(gòu)，非常有利于設(shè)計組合系統(tǒng)的故障檢測與隔離算法，從而能夠有效地監(jiān)督IMU、GPS與RDSS各自的工作情況正常與否，一旦發(fā)現(xiàn)故障就能及時對故障系統(tǒng)進行隔離，而不會影響到其他正常工作的系統(tǒng)，顯著提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯性能。

綜上所述，這種基于信息融合技術(shù)的IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航導(dǎo)航系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件構(gòu)成與軟件算法方面具有一定的創(chuàng)新，有效解決了當前汽車GPS導(dǎo)航定位中存在的一些問題和隱患，較好地實現(xiàn)了高精度、高可靠性、高容錯性的連續(xù)導(dǎo)航定位功能。

IMU/GPS/RDSS汽車組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 （X229）