littleGnss 发表于 2010-7-14 04:24:22

【回顾及展望】GPS 在车载导航的应用 (原创)

继续为GPS开源活动添砖加瓦。 这次主要回顾一下GPS在车辆导航系统的应用，并对GPS乃至GNSS在这个领域的一些趋势做一下展望。

1.传统的车载导航
传统的车载导航，主要使用GPS接收机作为车辆定位信息的唯一提供者。目前市场上的大多数产品都属于这个范畴。 比如Garmin，Tomtom。 这类产品主要使用GPS模块加上ARM处理器，配以电子地图和路径搜索方法，达到导航的目的。
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Garmin (原文件名:Garmin.jpg)

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Tomtom (原文件名:Tomtom.jpg)

局限
这类产品通常使用廉价的GPS接收机，有相对较低的成本（较后面所述的系统），但其定位精度和可靠性将大打折扣。 这主要是由于GPS的先天性缺陷造成的。GPS卫星在地球上空约20000公里的轨道上运行，卫星信号会受到电离层，对流层的影响，在其到达地面时，信号强度将低于噪声平面。接收机通过解扩，延长积分时间，来提高信噪比，从而完成信号的解调和观测量的生成。 但是在城市，一方面信号会受到建筑物的遮挡，另一面信号衰减也很严重，使得很多情况下接收机很难有4颗卫星的观测量用以定位，即便接收到足够数目的卫星信号，由于多径效应的影响，反射的信号将严重影响接收机对line of sight（视线） 信号接收时间的判断，从而使得定位解算产生较大的误差。

Map Match 地图匹配
为了在不增加成本的情况下，尽量提高接收机在城市环境下的性能，一些接收机，如Garmin和Tommom,使用地图匹配的方法，校正定位信息。 比如根据定位结果，判断接收机所在车辆可能在某条道路上行驶，这时即便真实定位结果已经偏离道路，甚至可能在建筑物上，但是算法将强制把定位结果拉回道路上。关于map match的相关内容可以参见【1】。

2.GPS/INS（Inertial Navigation System：惯性导航系统） 组合导航
由于GPS的种种限制，使得组合导航系统应运而生。 惯性导航系统是一种自主导航系统，他不依赖外界信息，采用航迹推算（Dead Reckoning）的方法得到位置信息。惯性导航系统中，给定车辆的初始状态，如位置，速度，姿态信息，使用陀螺仪测得角速度，积分后得到角度增量，从而计算出新的姿态；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。但是惯导传感器通常伴随着偏差（bias）和漂移（drift），在长时间的推算和积分过程中，使得系统的误差越来越大。 但是GPS的精度却不随时间长短而变化，GPS的位置和速度信息可以矫正惯导系统的误差。而惯导系统可以在GPS信号条件差的情况下，继续提供可靠的导航信息。这样GPS/INS组合导航系统，弥补了单纯GPS或INS的缺陷，提高了导航系统的精度和可靠性。NoAtel的SPAN系统就是这样的系统。关于组合导航的内容，大家可以参考【2】.这类产品主要由NovAtel SPAN。由于使用的全维的惯导系统（3轴的陀螺，3轴的加表），成本比较高。 适合于高端应用，如一些测绘用车辆。

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NoAtel SPAN System (原文件名:SPAN.jpg)


3.GPS/Vehicle Sensor(车辆传感器)
由于全维的惯导系统，成本高，无法在民用系统中普及，即便随着MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems：微机电系统）系统的发展，MEMS 陀螺的价格依然较高。 所以基于GPS和车辆传感器的组合导航系统成为一种趋势。 车辆传感器，主要由2D的惯导系统（Reduced INS），里程计（odometer or wheel speed sensor），方向盘转角传感器等组成。 由于现代车辆对安全性和稳定性的要求，这类车辆传感器已经广泛应用于车辆的稳定性控制上。如笔者使用GMC，SUV。使用一定的传感器融合算法，将有效的弥补GPS的一些缺陷。 如ublox的 Automotive Dead Reckoning solutions已经使用了这种技术。使用CAN总线将传感器信息送入组合导航系统，组合导航系统负责融合GPS和传感器的信息，得到最终可靠的定位信息。 这也将是今后车载导航的发展趋势，使用高灵敏度接收机，辅助以车辆中现有的车辆传感器，配和上有效的如何算法，使得廉价可靠的车载导航系统成为可能。更多的关于GPS、车辆传感器组合的信息可参考【3】，【4】，【5】。

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(原文件名:ublox2.jpg)

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uBlox Dead Reckoning (原文件名:uBlox.jpg)


【1】 Current map-matching algorithms for transport applications: State-of-the art and future research directions Mohammed A. Quddus a,    Washington Y. Ochieng b,*, Robert B. Noland b。http://cens.ucla.edu/~mhr/cs219/maps/quddus08_map_matching.pdf

【2】GPS/INS组合导航定位及其应用,董绪荣,国防科技大学出版社

【3】http://www.u-blox.com/en/dead-reckoning.html

【4】Niu, X., Nassar, S. and El-Sheimy, N., An Accurate Land-Vehicle MEMS IMU/GPS Navigation System Using 3D Auxiliary Velocity Updates,   NAVIGATION, USA., vol 54, no 3, pp.177-188

【5】Li, T., M.G. Petovello, G. Lachapelle and C. Basnayake (2010) Ultra-tightly Coupled GPS/Vehicle Sensor Integration for Land Vehicle Navigation, Navigation, Vol. 57, No. 3, Fall 2010， http://plan.geomatics.ucalgary.ca/papers/navigation_li%20et%20al_15jun10_web.pdf

armok 发表于 2010-7-14 07:14:38

leavesy 发表于 2010-7-14 13:51:31

支持原创

wtdesign 发表于 2010-7-14 16:36:02

这种是开车的人，导航用的。
另一大类产品是坐在办公室里管理用的，一般是gps+gprs 外加一套gis系统。

littleGnss 发表于 2010-7-15 08:18:35

回复【3楼】wtdesign
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我主要是想说车载导航用到的技术，可能题目起的不好，容易引起异议。

maqingbiao 发表于 2010-8-23 20:45:56

恩恩好

liuliuset 发表于 2010-8-23 21:06:20

又长见识了，./emotion/em041.gif

oumailesi 发表于 2011-4-3 22:00:43

勉强赞一个~

178731 发表于 2011-10-21 22:45:14

mark

eess 发表于 2011-11-17 17:47:45

LZ，本人最近正在为第二第三点烦恼，能否赐教。拜谢
totezzz#gmail.com

littleGnss 发表于 2011-11-29 08:46:16

回复【9楼】eess
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怎么烦恼的法？

tangxixiaowu99 发表于 2012-10-4 11:06:54

导航目前来说最常用的是第三种了

401281649 发表于 2013-5-10 20:04:48

赞一个{:handshake:}

CodingFarmer 发表于 2015-3-6 14:38:58

希望楼主再更新相关方面的原创文章，受益匪浅。
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