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杨波，中国计算机报博士撰稿团成员，现为西北工业大学自动化学院博士，主要研究方向是惯性导航与组合导航、信息融合。曾先后参加了国家高技术研究发展计划(863计划)项目、国家自然科学基金项目、总装惯性技术预先研究项目等十余项课题研究工作。
汽车导航技术已成为时下热门话题，但在实际应用GPS进行导航时却依然存在定位精度、外部干扰、信号屏蔽等问题。针对这些问题，本文作者提出了搭建IMU/GPS/RDSS组合汽车导航系统的设计理念。
随着信息融合技术、传感器技术、计算机技术的迅猛发展，汽车导航技术也得到了飞速发展。汽车导航系统利用现代信息融合技术，将高精度导航定位技术与导航地图相结合，为司机提供直观、详尽的导航功能，有效提升交通运输与物流周转效率。
双向互补提升精度
目前，国内的常规汽车导航应用都是基于GPS系统构建的。但是，GPS存在着导航卫星信号容易受到外部干扰或屏蔽的问题。例如，当车辆行驶在城市高楼区、林荫道、涵洞隧道、地下隧道中时，由于卫星信号受到遮挡而容易暂时“丢失”，GPS接收机此时就无法给出定位解或定位精度很差。
另外一种被广泛实用的车辆定位系统是航位推算系统(DR)，它利用陀螺仪及里程计的传感信息来实时地记录和推算车辆的当前位置，可以实现连续、自主的导航定位，抗干扰性强。但是，DR的方向传感器误差较大且随时间积累，而且在导航开始前需要预先知道车辆的初始位置和方向，这就让DR无法被单独、长时间地使用。
由此可见，单独的GPS或DR均不能很好地提供车辆导航所需的精确、连续、可靠的导航定位信息。对于民用车辆而言，GPS能够在绝大多数情况下完成高精度的导航定位，但仍然存在着当车辆行驶在一定环境下卫星信号暂时“丢失”而无法定位的问题；而对于诸如运钞车、警车、救护车这样的特殊车辆而言，由于要执行特殊任务，在行驶过程中必须对其进行连续、可靠的导航定位，以便指挥中心随时掌握它们所处的位置，显然仅仅依靠GPS无法满足上述要求。
因此，为了能够不间断地获得既精确又可靠的导航定位信息，可以利用现代信息融合技术，将来自GPS接收机、DR以及其他导航系统的多个导航信息融合到一起构成智能组合导航系统，充分发挥各导航系统的优点，取长补短。例如，将上面的GPS与DR通过信息融合技术构成GPS/DR组合导航系统，就可以克服GPS卫星信号“丢失”情况下的定位问题，还可以克服DR系统精度低和误差随时间积累的缺陷。
目前，国外在设计车辆导航定位系统时，习惯采用以惯性测量器件与GPS为主要导航系统，并结合里程仪、多普勒雷达测速系统等导航系统，利用信息融合技术，构成智能组合导航系统，从而实现高精度、高可靠性、高智能化、高容错性等功能。
在国内，东南大学、北京航空航天大学等对车辆智能组合导航系统也开展了相应的研究：东南大学研究设计了一种“车载GPS/DR组合导航系统”，定位误差为±90m；北京航空航天大学研究设计了一种“GPS/INU(惯性导航)/MM(地图匹配)车辆定位系统”，其组合定位误差达到±40m。但是，上述车辆组合导航系统目前均还处于理论研究和实验仿真阶段，尚未进入正式的产品定型与生产阶段。
搭建组合式汽车导航
在借鉴国外关于汽车导航的有关研究成果基础上，并结合国内在惯性导航技术、卫星定位技术等领域所达到的实际水平，笔者提出了将惯性测量装置(IMU)、GPS接收机、北斗卫星导航定位系统(RDSS)收机利用信息融合技术将它们有机地结合起来，构成IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统。
北斗卫星导航定位系统(RDSS)，是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位系统，是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个较为成熟的卫星导航系统。北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns，目前已成功研制出配套的北斗导航接收机。尽管在效率、定位精度以及抗干扰能力上还远不及美国的GPS，但完全可以作为组合导航系统中GPS的一个有效备份。当GPS出现故障或者被人为注入一些干扰误差时，北斗接收机完全可以替代GPS，为车辆提供高精度的定位信息。
在笔者所提出的IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统中，当IMU、GPS、RDSS三者均正常工作时，利用信息融合技术对来自三者的导航信息进行最优信息融合，获得最优的导航定位参数；当GPS和RDSS的卫星信号短暂“丢失”时，可以由IMU独立进行导航定位；而当GPS被恶意关闭而长时间失效时，就采用IMU/RDSS的组合导航方式，从而实现高精度、高可靠性的连续导航功能。
在该IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统中，为了在提高系统精度与降低产品成本之间寻求良好的性价比关系，笔者研究设计了一种低成本的惯性测量装置，采用一个低精度的压电晶体速率陀螺仪和两个石英固体加速度计作为IMU的惯性测量元件。其中，压电晶体速率陀螺仪作为方向传感器，用以测量车辆航向角的变化率；两个石英固体加速度计作为速度传感器，分别排列在车辆的纵、横平面，用以测量车辆的加速度信息。
四步贯通信息技术融合
该汽车组合导航系统的高精度和高可靠性，将主要通过以下几个途径来实现：
1.采用联邦卡尔曼滤波结构，分别设计IMU/GPS、IMU/RDSS组合导航子滤波器，将子滤波器输出的导航参数估计值送入主滤波器进行全局最优信息融合，得到导航参数的全局最优估计；
2.定期对IMU的系统误差进行反馈校正，将其误差始终钳制在较小范围内；
3.针对汽车行驶过程中，存在器件数学模型和统计噪声未知或近似的情况，采用一种适用于系统噪声协方差阵未知情况下的自适应卡尔曼滤波方法，既能有效增强系统的自适应性，又能提高系统定位精度；
4.综合运用子系统状态评估、故障检测与隔离、自适应信息分配原则等现代信息融合技术，在获得最优融合导航信息的同时，有效地提高整个组合导航系统的容错能力和可靠性。
经过计算机仿真与跑车试验证明，该IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统不仅有效解决了卫星信号短暂“丢失”时的导航定位问题，而且具有较高的导航定位精度。在7200s的行驶时间内，如果卫星定位系统工作正常，该系统的定位误差能保持在±5m以内(高于GPS的10m定位精度)；如果GPS长期失效而RDSS正常工作，则系统的定位误差能保持在±20m以内；而如果GPS和RDSS均失效(卫星信号受到遮挡而短暂“丢失”，假设失效时间为200s)，则系统的定位误差能保持在±30m以内。特别是该组合导航系统采用了三个导航子系统以及联邦卡尔曼滤波的机构，非常有利于设计组合系统的故障检测与隔离算法，从而能够有效地监督IMU、GPS与RDSS各自的工作情况正常与否，一旦发现故障就能及时对故障系统进行隔离，而不会影响到其他正常工作的系統，显著提高了组合导航系统的容错性能。
综上所述，这种基于信息融合技术的IMU/GPS/RDSS汽车组合导航导航系统，在系统硬件构成与软件算法方面具有一定的创新，有效解决了当前汽车GPS导航定位中存在的一些问题和隐患，较好地实现了高精度、高可靠性、高容错性的连续导航定位功能。
汽车导航技术已成为时下热门话题，但在实际应用GPS进行导航时却依然存在定位精度、外部干扰、信号屏蔽等问题。针对这些问题，本文作者提出了搭建IMU/GPS/RDSS组合汽车导航系统的设计理念。
随着信息融合技术、传感器技术、计算机技术的迅猛发展，汽车导航技术也得到了飞速发展。汽车导航系统利用现代信息融合技术，将高精度导航定位技术与导航地图相结合，为司机提供直观、详尽的导航功能，有效提升交通运输与物流周转效率。
双向互补提升精度
目前，国内的常规汽车导航应用都是基于GPS系统构建的。但是，GPS存在着导航卫星信号容易受到外部干扰或屏蔽的问题。例如，当车辆行驶在城市高楼区、林荫道、涵洞隧道、地下隧道中时，由于卫星信号受到遮挡而容易暂时“丢失”，GPS接收机此时就无法给出定位解或定位精度很差。
另外一种被广泛实用的车辆定位系统是航位推算系统(DR)，它利用陀螺仪及里程计的传感信息来实时地记录和推算车辆的当前位置，可以实现连续、自主的导航定位，抗干扰性强。但是，DR的方向传感器误差较大且随时间积累，而且在导航开始前需要预先知道车辆的初始位置和方向，这就让DR无法被单独、长时间地使用。
由此可见，单独的GPS或DR均不能很好地提供车辆导航所需的精确、连续、可靠的导航定位信息。对于民用车辆而言，GPS能够在绝大多数情况下完成高精度的导航定位，但仍然存在着当车辆行驶在一定环境下卫星信号暂时“丢失”而无法定位的问题；而对于诸如运钞车、警车、救护车这样的特殊车辆而言，由于要执行特殊任务，在行驶过程中必须对其进行连续、可靠的导航定位，以便指挥中心随时掌握它们所处的位置，显然仅仅依靠GPS无法满足上述要求。
因此，为了能够不间断地获得既精确又可靠的导航定位信息，可以利用现代信息融合技术，将来自GPS接收机、DR以及其他导航系统的多个导航信息融合到一起构成智能组合导航系统，充分发挥各导航系统的优点，取长补短。例如，将上面的GPS与DR通过信息融合技术构成GPS/DR组合导航系统，就可以克服GPS卫星信号“丢失”情况下的定位问题，还可以克服DR系统精度低和误差随时间积累的缺陷。
目前，国外在设计车辆导航定位系统时，习惯采用以惯性测量器件与GPS为主要导航系统，并结合里程仪、多普勒雷达测速系统等导航系统，利用信息融合技术，构成智能组合导航系统，从而实现高精度、高可靠性、高智能化、高容错性等功能。
在国内，东南大学、北京航空航天大学等对车辆智能组合导航系统也开展了相应的研究：东南大学研究设计了一种“车载GPS/DR组合导航系统”，定位误差为±90m；北京航空航天大学研究设计了一种“GPS/INU(惯性导航)/MM(地图匹配)车辆定位系统”，其组合定位误差达到±40m。但是，上述车辆组合导航系统目前均还处于理论研究和实验仿真阶段，尚未进入正式的产品定型与生产阶段。
搭建组合式汽车导航
在借鉴国外关于汽车导航的有关研究成果基础上，并结合国内在惯性导航技术、卫星定位技术等领域所达到的实际水平，笔者提出了将惯性测量装置(IMU)、GPS接收机、北斗卫星导航定位系统(RDSS)收机利用信息融合技术将它们有机地结合起来，构成IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统。
北斗卫星导航定位系统(RDSS)，是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位系统，是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个较为成熟的卫星导航系统。北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns，目前已成功研制出配套的北斗导航接收机。尽管在效率、定位精度以及抗干扰能力上还远不及美国的GPS，但完全可以作为组合导航系统中GPS的一个有效备份。当GPS出现故障或者被人为注入一些干扰误差时，北斗接收机完全可以替代GPS，为车辆提供高精度的定位信息。
在笔者所提出的IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统中，当IMU、GPS、RDSS三者均正常工作时，利用信息融合技术对来自三者的导航信息进行最优信息融合，获得最优的导航定位参数；当GPS和RDSS的卫星信号短暂“丢失”时，可以由IMU独立进行导航定位；而当GPS被恶意关闭而长时间失效时，就采用IMU/RDSS的组合导航方式，从而实现高精度、高可靠性的连续导航功能。
在该IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统中，为了在提高系统精度与降低产品成本之间寻求良好的性价比关系，笔者研究设计了一种低成本的惯性测量装置，采用一个低精度的压电晶体速率陀螺仪和两个石英固体加速度计作为IMU的惯性测量元件。其中，压电晶体速率陀螺仪作为方向传感器，用以测量车辆航向角的变化率；两个石英固体加速度计作为速度传感器，分别排列在车辆的纵、横平面，用以测量车辆的加速度信息。
四步贯通信息技术融合
该汽车组合导航系统的高精度和高可靠性，将主要通过以下几个途径来实现：
1.采用联邦卡尔曼滤波结构，分别设计IMU/GPS、IMU/RDSS组合导航子滤波器，将子滤波器输出的导航参数估计值送入主滤波器进行全局最优信息融合，得到导航参数的全局最优估计；
2.定期对IMU的系统误差进行反馈校正，将其误差始终钳制在较小范围内；
3.针对汽车行驶过程中，存在器件数学模型和统计噪声未知或近似的情况，采用一种适用于系统噪声协方差阵未知情况下的自适应卡尔曼滤波方法，既能有效增强系统的自适应性，又能提高系统定位精度；
4.综合运用子系统状态评估、故障检测与隔离、自适应信息分配原则等现代信息融合技术，在获得最优融合导航信息的同时，有效地提高整个组合导航系统的容错能力和可靠性。
经过计算机仿真与跑车试验证明，该IMU/GPS/RDSS汽车组合导航系统不仅有效解决了卫星信号短暂“丢失”时的导航定位问题，而且具有较高的导航定位精度。在7200s的行驶时间内，如果卫星定位系统工作正常，该系统的定位误差能保持在±5m以内(高于GPS的10m定位精度)；如果GPS长期失效而RDSS正常工作，则系统的定位误差能保持在±20m以内；而如果GPS和RDSS均失效(卫星信号受到遮挡而短暂“丢失”，假设失效时间为200s)，则系统的定位误差能保持在±30m以内。特别是该组合导航系统采用了三个导航子系统以及联邦卡尔曼滤波的机构，非常有利于设计组合系统的故障检测与隔离算法，从而能够有效地监督IMU、GPS与RDSS各自的工作情况正常与否，一旦发现故障就能及时对故障系统进行隔离，而不会影响到其他正常工作的系統，显著提高了组合导航系统的容错性能。
综上所述，这种基于信息融合技术的IMU/GPS/RDSS汽车组合导航导航系统，在系统硬件构成与软件算法方面具有一定的创新，有效解决了当前汽车GPS导航定位中存在的一些问题和隐患，较好地实现了高精度、高可靠性、高容错性的连续导航定位功能。