自动驾驶车辆定位技术.pptx

自动驾驶汽车定位技术本书思维导图Chapter 3自动驾驶车辆定位技术3 自动驾驶车辆定位技术n卫星定位技术n惯性导航定位技术n地图匹配定位技术n多传感器融合定位技术n本章小结 3 自动驾驶车辆定位技术车辆定位是让自动驾驶车辆知道自身确切位置的技术，这是一个有趣且富有挑战的任务，涉及到多种传感器类型和相关技术3 自动驾驶车辆定位技术车辆位姿信息获取方式：惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）地图匹配定位（ Map Matching，MM）多传感器数据融合定位系统（Multi-sensor data fusion）3.1 卫星定位技术在任何驾驶条件下，自动驾驶车辆均依赖于精准的位姿信息，包括位置、速度和姿态等收集这些信息需要整合多种复杂技术，其中GNSS功不可没当下GNSS包含了多套卫星导航定位系统，能为自动驾驶车辆提供更精准的位置信息如图所示，本小节将从卫星导航定位系统简介、定位原理、误差分析及差分GNSS定位技术几个方面对卫星定位技术进行描述卫星导航定位示意图3.1 卫星定位技术卫星导航定位系统是星基无线电导航系统，以人造地球卫星作为导航台，为全球海陆空的各类军民载体提供位置、速度和时间信息，这些信息都具有全天候且高精度等特征，因而又被称作天基定位、导航和授时系统。

卫星导航定位系统包括全球四大导航卫星系统，还有区域系统和增强系统1. 全球四大导航卫星系统美国的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、俄罗斯的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)、中国的北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)与欧盟的伽利略卫星导航系统(Galileo Satellite Navigation System)并称为全球四大导航卫星系统n卫星导航定位系统简介3.1 卫星定位技术1）GPSGPS提供具有全球覆盖、全天时、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，作为先进的测量、定位、导航和授时手段，除了在军事上起着举足轻重的作用，在国家安全、经济建设和民生发展的各个方面都扮演着重要的角色2）GLONASSGLONASS是前苏联时期建设的导航系统，同样能够为海陆空的民用和军用提供全球范围内的实时、全天候连续导航、定位和授时服务3）BDS北斗卫星导航系统是中国正在实施的自行研制的全球卫星导航系统，于2012年12月27日启动区域性导航定位与授时服务。

期间，由中国独立开发的北斗二号系统已向我国及周边地区在内的亚太大部分地区提供服务目前，我国正在进行北斗三号系统卫星的发射与调试4）Galileo卫星导航系统Galileo卫星导航系统也是一个正在建设中的全球卫星导航系统，其目的是使欧洲摆脱对美国GPS的依赖，打破其垄断地位该系统的基本服务免费，但要使用高精度定位服务就需要付费全球四大导航卫星系统对比如图所示：3.1 卫星定位技术GPSGLONASSGalileoBDS卫星数量卫星轨道定位精度24颗工作卫星+4颗备用卫星分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地面约2万公里民用精度10米，综合可达厘米级24颗工作卫星+3颗备用卫星均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，相隔45度，轨道高度1.91万公里绝对定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米27颗工作卫星+3颗备用卫星分布在三条轨道上，56倾角，离地面高度23,222公里1米5颗静止卫星+30颗非静止卫星静止轨道卫星定点位置为东经58.75、80、110.5、140、160，与GPS相当3.1 卫星定位技术2. 区域卫星导航系统除了上文4个全球卫星导航系统外，还有一些其他已完成或正在建设的区域卫星导航系统，如日本的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)、印度的区域导航卫星系统(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)等。

随着系统卫星数量和密度的不断增加，QZSS从技术上可能升级为独立的卫星导航系统，提供完整的卫星导航功能3. 星级增强系统星基增强系统（Satellite-Based Augmentation System，SBAS）是由美国实施选择可用性（Selective Availability，SA）政策而发展起来的SBAS也主要由空间段、地面段和用户段构成为了提升GPS的性能，满足不同用户对高精度、高完好性的需求，产生了相应的增强系统4. 地基增强系统地基增强系统(Ground-Based Augmentation Systems，GBAS)是卫星导航系统建设中的一项重要内容，可以大大提升系统服务性能GBAS综合使用了各种不同效果的导航增强技术，主要包括精度增强技术、完好性增强技术、连续性和可用性增强技术，最终实现了其增强卫星导航服务性能的功能3.1 卫星定位技术根据后方交会定位原理，要实现GNSS定位，需要解决两个问题：一是观测瞬间卫星的空间位置，二是观测站点和卫星之间的距离，即卫星在某坐标系中的坐标为此首先要建立适当的坐标系来表征卫星的参考位置，而坐标又往往与时间联系在一起，因此，GNSS定位是基于坐标系统和时间系统进行的。

1.坐标系统和时间系统卫星导航系统中，坐标系是用于描述与研究卫星在其轨道上的运动、表达地面观测站的位置以及处理定位观测数据根据应用场合的不同，选用的坐标系也不相同坐标系统大概分为以下几类：地理坐标系、惯性坐标系、地球坐标系、地心坐标系和参心坐标系GNSS采用了一个独立的时间系统作为导航定位计算的依据，称为GNSS时间系统，简称GNSSTGNSST属于原子时系统，其秒长与原子时秒长相同nGNSS定位原理2. 卫星定位原理3.1 卫星定位技术三球定位原理利用时间差乘以光速测得某点P到三颗卫星S1的距离为r1、 r2、 r3 ，那么P点所在空间可能位置集缩到三个球面的交点排除一个不在地面的点，就得到唯一的确定位置但确定球面半径是利用卫星信号传输到接收终端的时间差，所以需要第4颗卫星提供相对零点作时间的参照系3.1 卫星定位技术误差来源对测距的影响/m与信号传播有关的误差电离层延迟1.515.0对流层延迟多径效应与卫星有关的误差星历误 差1.515.0时钟误 差相对论 效应与接收机有关的误差时钟误 差1.55.0位置误差天线相位中心变化与地球转动有关的误差地球潮汐1负荷潮nGNSS数据误差卫星导航系统的误差从来源上可以分为四类：与信号传播有关的误差、与卫星有关的误差、与接收机有关的误差以及与地球转动有关的误差。

3.1 卫星定位技术差分GNSS可有效利用已知位置的基准站将公共误差估算出来，通过相关的补偿算法削弱或消除部分误差，从而提高定位精度差分GNSS的基本原理主要是在一定地域范围内设置一台或多台接收机，将一台已知精密坐标的接收机作为差分基准站，基准站连续接收GNSS信号，与基准站已知的位置和距离数据进行比较，从而计算出差分校正量然后，基准站就会将此差分校正量发送到其范围内的流动站进行数据修正，从而减少甚至消除卫星时钟、卫星星历、电离层延迟与对流层延迟所引起的误差，提高定位精度根据差分校正的目标参量的不同，差分GNSS主要分为位置差分、伪距差分和载波相位差分n差分GNSS定位技术1. 位置差分系统3.1 卫星定位技术位置差分系统示意图将坐标测量值与基准站实际坐标值的差值作为差分校正量，通过数据链路发送给车辆，与车辆的测量值进行差分改正由于基准站与流动站必须观测同一组卫星，通常流动站与基准站间距离不超过100km2. 伪距差分系统3.1 卫星定位技术伪距差分系统示意图通过在基准站上利用已知坐标求出测站至卫星的几何距离，并将其与观测所得的伪距比较，然后利用一个滤波器将此差值滤波并求出其伪距修正值，然后将所有卫星的伪距修正值传输给流动站，流动站利用此误差来改正GNSS卫星传输测量伪距。

3.载波相位差分3.1 卫星定位技术载波差分技术的根本是实时处理两个测站的载波相位，与其他差分技术相比，载波相位差分技术中基准站不直接传输关于GNSS测量的差分校正量，而是发送GNSS的测量原始值流动站收到基准站的数据后，与自身观测卫星的数据组成相位差分观测值，利用组合后的测量值求出基线向量完成相对定位，进而推算出测量点的坐标RTK是一种利用接收机实时观测卫星信号载波相位的技术，结合了数据通信技术与卫星定位技术，采用实时解算和数据处理的方式，能够实现为流动站提供在指定坐标系中的实时三维坐标点，在极短的时间内实现高精度的位置定位常用的RTK定位技术分为常规RTK和网络RTK1)常规RTK3.1 卫星定位技术常规RTK示意图基准站通过数据通信链路将自己所获得的载波相位观测值及站坐标实时播发给在其周围工作的动态用户流动站数据处理模块则通过动态差分定位的方式，确定流动站相对于基准站的位置，并根据基准站的坐标得到自身的瞬时绝对位置3.1 卫星定位技术网络RTK示意图通过长时间GNSS静态相对定位等方法可以精确得到基准站的坐标，基准站GNSS接收机按一定采样率进行连续观测，通过数据通信链路将观测数据实时传送给数据处理中心，数据处理中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析，然后对整个基准站网的数据进行统一解算，实时估计出网内的各种系统误差的改正项(电离层、对流层和轨道误差)，并建立误差模型。

2)网络RTKn惯性导航系统简介 3.2 惯性导航定位技术惯性导航系统是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统其主要由3个模块组成：惯性测量单元、信号预处理单元和机械力学编排模块惯性导航系统主要模块3.2 惯性导航定位技术惯性测量单元结构图一个惯性测量单元包括3个相互正交的单轴加速度计(Accelerometer)和3个相互正交的单轴陀螺仪(Gyroscopes)，惯性测量单元结构如图所示信号预处理部分对惯性测量单元输出信号进行信号调理、误差补偿并检查输出量范围等，以确保惯性测量单元正常工作3.2 惯性导航定位技术平台式惯性导航系统惯性导航系统根据机械力学编排形式的不同，可分为平台式惯性导航系统(Gimbaled Inertial Navigation System，GINS)和捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)捷联式惯性导航系统3.2 惯性导航定位技术惯性导航系统工作原理基于牛顿第二运动定律，通过惯性测量单元检测载体所受“比力”，可解算出车辆在三维空间内的运动加速度和角速度，进而积分得到位移及位置。

优点：独立的导航更新频率高短期精度高具备隐蔽性与抗干扰性可提供多种定位信息缺点：精度逐渐降低初始对准时间长n惯性导航定位系统原理惯性导航系统是一种以陀螺仪和加速度计为感知元件的导航参数解算系统，应用航迹递推算法提供位置、速度和姿态等信息，可以说是一个由惯性测量单元和积分器组成的积分系统该系统通过陀螺仪测量载体旋转信息求解得到载体的姿态信息，再将加速度计测量得到载体比力信息转换到导航坐标系进行加速度信息的积分运算，就能推算出车辆的位置和姿态信息3.2 惯性导航定位技术从一个已知的坐标位置开始，根据载体在该点的航向、航速和航行时间，推算下一时刻坐标位置的导航过程称为航迹递推航迹递推是一种非常原始的定位技术，最早是海上船只根据罗经和计程仪所指示的航向、航程以及船舶操纵要素和风流要素等在不借助外界导航物标的条件下求取航迹和船位，逐渐演化成如今自动驾驶车辆定位技术中最常用的方法惯性导航定位基于一个简单的原理，那就是位置的差异可以由一个加速度的双重积分得到，可以被描述为在一个稳定坐标系下并且被明确定义的与时间相关的函数，可表述为：式中： 为初。