车载GPS/BD-DR组合导航系统设计与实现

摘要

随着社会生活生产方式的不断改变，导航技术在各个领域都呈现出巨大的需求。目前，在四大卫星导航系统中，全球卫星定位系统(GPS)已经在全球范围内得到了广泛的应用，但因受制于美国而不能完全依赖，而我国自主研发控制的北斗卫星导航系统(BD，NavigationSatelliteSystem)已经进入正式运营，且完成了亚太地区的覆盖并在进一步的完善，已成为我国在相关领域应用的趋势。虽然卫星导航系统具有精度高、全天候、可独立工作等优点，但多径效应的存在及障碍物的遮挡会导致其误差增大甚至出现信号盲区而不能定位，且普通卫星导航接收机因数据率过低并不适合于高速环境中的应用。另一方面，基于多传感器数据融合的航位推算(DR，Dead Reckoning)技术虽然具有短时精度高、实时性好等优点，但会随时间出现累计误差。由卫星导航系统与DR系统相结合而成的卫星-DR组合导航系统能够弥补各自的不足，因此成为多个领域的选择，并形成新的研究热点。
　　 为实现高精度、高可靠性且连续导航定位的目的，本文对卫星导航与航位推算导航分别进行研究，分析了各自的不足。针对目前航位推算技术的缺陷，提出了一种带倾角补偿的低成本单陀螺仪单加速度计航位推算方案。结合DR与卫星导航系统的优缺点，设计了卫星-DR组合导航系统，并通过软硬件设计实现了该组合导航系统，弥补了各自的不足，提高并完善了导航性能。系统选用普通GPS/BD双系统接收机，在增强组合导航系统安全性的同时提高了卫星导航接收机对导航卫星的可视率，一定程度上提高了导航精度。组合导航系统采用联邦卡尔曼滤波算法完成数据融合，并进一步融入插值法提高导航系统数据更新率，弥补了普通卫星导航接收机在高速环境应用中数据更新率过低的缺陷，最高更新率达到了40Hz。
　　 通过大量的实地测试与仿真验证，结果表明，该组合导航系统不但抑制了导航数据的漂移问题，平滑了导航轨迹，有效地提高了导航数据更新率，且解决了因坡道和水平安装误差带来的导航误差问题。该组合导航系统在灵活移动、多坡道及信号盲区环境下均具有较高的定位精度，能够满足车载导航的基本需求，对城市复杂路况及高速列车导航均具有一定的参考意义，达到了设计目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与目的

1．2 车载导航系统概述

1．2．1 卫星导航系统

1．2．2 航位推算导航

1．2．3 地图匹配技术

1．2．4 组合导航系统

1．3 主要工作与结构安排

1．3．1 主要工作

1．3．2 本文结构安排

1．4 本章小结

第二章 基本导航原理及组合系统总体设计

2．1 卫星导航原理

2．1．1 伪距测量定位

2．1．2 伪距测量定位误差

2．2 航位推算技术

2．2．1 航位推算原理

2．2．2 坐标转换

2．3 航位推算系统设计

2．3．1 单陀螺仪单加速度计航位推算方案

2．3．2 倾角补偿模型

2．4 系统总体设计框图

2．5 本章小结

第三章 组合导航系统硬件设计

3．1 关键器件与模块选型

3．1．1 GPS／BD接收机模块

3．1．2 航位推算传感器

3．2 电路原理图设计

3．2．1 ARM电路设计

3．2．2 GPS／BD电路设计

3．2．3 A／D转换电路设计

3．2．4 传感器电路设计

3．2．5 电源设计

3．2．6 通信接口设计

3．3 PCB板设计

3．3．1 PCB布局

3．3．2 PCB布线

3．4 本章小结

第四章 组合导航系统数据处理及软件设计

4．1 组合导航系统数据预处理

4．1．1 传感器数据预处理

4．1．2 GPS／BD数据预处理

4．2 数据融合算法

4．2．1 插值法

4．2．2 联邦卡尔曼滤波

4．3 ARM程序设计

4．3．1 主要函数功能及设计

4．3．2 系统总体工作流程

4．4 上位机软件设计

4．5 本章小结

第五章 系统测试

5．1 总体性能测试

5．2 静态测试

5．3 高速环境测试

5．4 起伏路测试

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及专利