全球定位系统和惯性系统在高速公路上的高精密定位

全球定位系统和惯性系统在高速公路上的高精密定位

                翻译人：潘文祥  自动化1003201003120318

摘要：公路上车辆的精准定位在汽车领域上是一个很大的挑战。为了精准定位可能会影响多个车载系统，如导航仪，车道偏离报警系统，碰撞报警系统等其他相关部门，例如数字制图供应商。本文的目的是评估高精密定位系统，能够对厘米级精度源提供一个发展的车道定位系统，并用于未来的应用作为信息源该循环在高速行驶在公共道路上的自主车。在这片文章里面我们做了几个在公路上的实验来测试一些基于GPS的系统：自主导航定位系统；RTK差分GPS；RTK差分GPS连接到西班牙国家地理研究所通过车对基础设施的GPRS通信的公众GPS基站网络；并与惯性测量系统（INS）的位置精度保持在退化卫星信号接收区域的GPS组合。在这些试验中我们证明的有效性和这些定位系统的比较，使我们能够从起始位置定位，在某些情况下，在公共道路上的速度接近120公里每小时和高达100公里无任何显著降低精度。

关键字：DGPS;惯性系统；RTCM DGPS

1.介绍。那种无人干涉能够自主驾驶的完全自主的汽车还一直没有实现，直到一些全球导航卫星系统（GNSS）的安装，为了用已完成路线的数字地图定位车辆，例如GPS。近年来，一些研究项目和出版物设计到自主车的都已获得证明的结果。

    第一个自主车的雏形只有一个能力去保持私有的圆形循环的路线，或者保持循环车道，当行驶在高速公路上汽车会自动的管理方向盘。同时，卡耐基梅隆大学的导航实验室（NavLab）的第一个自主车型的原型能够管理转向和采用神经网络算法的汽车的速度，但没有一个高层次的计划层的容量表示一个完整的路线来实现。关闭选择可用性（SA）在GPS信号意味着在GPS定位精度的提高，在自主模式下工作时可以从100μm至15-10米减少误差。直到SA被关闭GPS设备作为参考传感器并没有大量的被使用在自主汽车领域。差分校正技术允许来自于GPS的精度提高15-10米到1厘米的误差。差分校正包括添加微积分和GPS装置的位置计算。这第二个全球定位系统，被命名为基站，被地理坐标定位并安装在一个静态的基础设施。这被用于提高精度的机理是简单而有效。基站考虑到该错误并计算使用GPS卫星星座的位置。一旦它的位置被计算，基站与地理参考1进行比较，从而获得了定位误差的偏移量。这个偏移是通过国家的最先进的无线通信发送到工作在一个操作范围（约30千米）所有连接的独立式GPS装置，使它们的位置可能会使用从基站接收到的偏移校正。如果仅使用GPS伪距码获得该差分修正，被命名为差分GPS（DGPS），可实现大约1到5米的精度。如果使用被命名为实时动态定位（RTK）DGPS的GPS载波获得相位信息且其精度约1至10厘米。这种方法为了进行自主航线，例如，在驰自主车型计划，其中一组汽车已经被自动的使用RTKDGPS为主要的传感输入的。然而，该系统用于定位具有明显的局限性。这些汽车在基站的旁边只可以行使仅仅一小段距离，由于30KM的精度限制。较短的无线通信距离被用于传送差分校正。一个解决方案来克服这个距离的限制是采用通过OMNISTAR卫星星座传输差分改正。该系统利用地球同步卫星发送的信息，并被接先前订阅兼容的接收器接受。这种修正可以让GPS接收器以获得在4 m和10厘米精度。这些类型的系统在新一代自主车中使用，例如DARPA大挑战的KAT-5【6】。通过卫星差分改正其他的解决方案是SBAS（星基增强系统）例如被SciAutonics团队使用[7]。不幸的是这些基础的卫星系统有一个重要的缺点：当他们在城市环境中使用，建筑物造成的隧道效应可能会导致精确度的一个重要减少。

    为了解决上述两个系统中的局限性，一种新的解决技术最近出现了。欧洲的地理机构现在通过互联网提供了一种差分解决方案，可以通过车对基础设施的GPRS蜂窝电话通信访问。这个系统的主要新颖之处在于，为了产生最佳的差动修正，它总会在附近移动GPS创建一个虚拟参考站。然而，校正信息总是要有最佳的功能区作出准确的信息。这种虚拟站通过GPS参考站欧洲集群创建网络，这意味着该方法适用于任何厘米的精度范围内在欧洲的位置。然而，在一些接收不到GPS信号的地方，GPS接收器就不能运行。这些情况都是隧道，桥下路口，大树下的檐篷或在正在建筑的区域。在这种情况下，在GPS停止运行的时候，有必要增加新的航位推算传感器以高精度来保证定位【9】。这样一来，Nebot等人[10]描述模型和传感器去解释在导航任务中的GPS误差。目前存在的智能车应用的组合系统研究。但是主要集中在高信号的完整性，精度低，成本低[11]。

    目前对于这样的高精度和高可靠性的定位系统的需求量很大，用来作为车辆安全操作传感器。欧洲几个项目，如NextMAP或PREVENTMAPS&ADAS都集中在分析了新一代的GPS相关系统，准确的数字地图和行车安全系统和高级驾驶员辅助系统（ADAS）的应用程序[12][13]。由于这一研究领域的重要性，欧盟建立了一个数字地图工作组在电子安全倡议为了作为一个框架去解决所有欧洲和全世界与现在数字地图和和他们未来应用的倡议。在这些安全系统

也有一些结果在基于GPS技术的应用开发碰撞驾驶系统[15][16]。在本文中，我们提出使用由西班牙国家地理研究所的虚拟基站服务提供的差分改正不同的RTK DGPS的结果进行比较，DGPS RTK技术与专有基站和GPS自主定位。为了获得最高的质量水平，我们提高了定位精度与陀螺平台和一种非接触式速度传感器，用于保持最高的定位精度在退化卫星信号接收的情况。这保持了定位精度的卫星信号损失等情况下，例如在隧道中或在城市中建筑物的隧

道效应。有了这些系统，一些真正的道路实验已经在公路上进行的马德里周围，运行测试500公里以上。这种新开发的技术具有广泛的应用前景，如自动驾驶在公共道路，交叉口的安全管理系统，自适应巡航控制，车道偏离警告系统或高精度数字制图的发展。

2.试验台车辆车载设备

    为了开展不同类型的GPS接收机之间的对比分析，乘用车与板载定义的参考测量的配置使用。该配置是保持每一个测试和构成:

●惯性测量系统:

○ CORREVITL-CE的非接触速度传感器来测量速度和距离旅行。

○ RMS FES33陀螺平台提供的角度测量得出关于三个轴。

X轴是沿车辆的纵向轴线对齐，Z是垂直和Y形成右手坐标系与其它两个。因此，围绕Z和速度信号的角度将允许获得的路径，而围绕X和Y的角度会给银行和斜率分别，就是不能从其他测量设备的信息。

●自主GPS定位系统:

    ○ASTECH G12的GPS接收机自主与10赫兹的更新频率。

此外，下面的差分全球定位系统设备被用于以与参考配置比较它们的行为。

●设备与JAVAD MAXOR虚拟参考站

    ○RTK-DGPS1：RTK DGPS的更新频率5赫兹与西班牙国家地理研究所获得的差分校正，使用GPRS服务器通过网络连接。

    ○RTK-DGPS2：RTK DGPS具有相同的特征，但频率更新到1赫兹。

    ○RTK-DGPS3：10赫兹的更新以及使用GPS和GLONASS的可能性的RTK DGPS。

虚拟GPS基准站是由西班牙国家地理学会通过欧洲EUREF-IP服务提供。该服务是基于那些能够在其中每个连接的客户端被放置的位置创建一个虚拟基站的若干永久GPS站。该系统采用的RTCM网络化运输的RTCM推荐标准通过互联网协议（NTRIP）通过互联网所需的差分改正的连接到客户端的移动GPS可以在RTK DGPS模式下工作来传输。

●设备与我们自己的专有参考站

    ○更新频率10赫兹的RTCM以及使用GPS和GLONASS的可能性DGPS基准站

该GPS接收机被放置在靠近彼此，以降低效果在最后的比较结果的差距。这个距离是把数据后处理考虑在内。GPS定位和惯性测量系统的模拟数据由一台笔记本电脑和一个DAQ-Card-6062E采集卡记录。传感器被放置在车辆上位置如图1所示。

             图1. 在A1第二条路线中的RTK DGPS和自治的GPS之间误差比较

3.实验：我们进行了两种类型的测试，以测试的每性能的定位设备在真实世界的情况下使用情况。首先，我们进行了一系列围绕马德里理工大学南校区的重复测试，以检查该定位系统的重复性，并把它与用于和其他研究项目广泛的测试驾驶区作比较[17][18]。在本文中，我们提出了第二组实验，涉及沿马德里周围的区域，以及一些单行线道路的一些公共道路行驶。这是我们在真实的环境下测试定位系统，这应该在发展自主汽车系统或新一代车载安全系统是也能有帮助的。这些实验是在测试定位的质量，作为GPS的信号质量是按照GPS NMEA约定的标准：第4类或固定的厘米波精度，5型或浮动的子指标精度，与1型或自主（该装置是不差校正定位）为分米波精度（10-15米的最大误差）。一个因素来测试系统的正确性能是时间的接收机固定或浮动定位方式，时间，他们在自主模式下工作的数量和他们停止服务在旅途中工作的时间量。

3.1. RTK DGPS1(M607高速公路路线) 。中交第一公路旅程是沿M-607高速公路。这条道路的主要特点是，通过开放的领域它的路线，没有建筑物，山，树檐篷和可能妨碍GPS卫星信号接收的任何其他元素。最大流通速度是100km/h，平均速度94.5km/h。移动的距离向外的旅程是30公里，在返回是30公里。从Colmenar Viejo到San Agustı´n de Guadalix的高速公路之后紧跟着一个行车道(M-104)。这条路位于一个山谷群山与几个区的檐篷之间。本节中的路由的有13.5公里长，最大速度为90公里每小时且79.5公里/小时的平均速度。在这种情况下，差分GPS RTK技术设备提供的信息在5 Hz和差分改正是从一个虚基通过I2V 通信使用来自西班牙国家地理研究所的数据使用GPRS通过Internet与服务器连接获得的。图2所示，实验过程中车后面的路被示出，即在X轴上对GPS的UTM坐标西的路线和在Y轴上，带GPS的UTM坐标北。该图表示在自主GPS的灰色的路由数据，并和黑色的RTK DGPS提供的数据。该航线的北/南部分沿用了M607和东/西部分是单一的行车道。两条路径上的精准度是一样的。这证明了RTK GPS定位的性能是相同的，无论那种道路的，与其它系统的性能依赖于基础设施设备的相反，例如在加利福尼亚路径程序，它使用放置在路上的车辆位置上的信标。在完成路线后，我们比较了GPS装置的结果，结果如表一所示。

 

图2.沿着M607高速公路路线的图形表示加入到M104单行车道

          表1. 在M607路由过程中的RTK DGOS和自主GPS的误差比较

从这些结果可以看出，在向外的旅程，无论DGPS的精度，平均误差是非常相似。这是因为卫星条件非常稳定所引起的，在最佳条件一个自治的GPS可以产生近乎到了米精度的位置。然而，如所示的返回路线，当卫星的配置是糟糕的是，这两个GPS的不同在1型中急剧增加长达6米。在这种情况下，我们不能说哪些错误的部分是由RTK或独立设备造成的，但很显然，这个错误是无效的车道定位。

图3的结果显示了在两次实验中GPS精度的改变。正如我们所看到的，在开始阶段外出的实验和返回路线结束部分，都是GPS减低精度的重要时间。精度的减低是由在马德里附近的高速公路所引起的，那里有许多的建筑物，隧道和桥梁，卫星GPS信号不能正确的接受。这是一个很明显的例子，GPS有必要联合第二系统，允许维持位置尽管当GPS不能正常工作或者完全失去了参考。考虑到虚拟机基站是非常有意义的，有可能保持最高的定位精度，而且当从起点的距离超过了传统的基站指定的最大距离（〜30千米）是重要。

图3. GPS的精度沿M607这两条航线在演变的比较

3.2RTK-DGPS2（A1公路线路）第二个实验包括沿A1高速公路的路线的。在这种情况下，RTK DGPS设备包括一个其频率为1 Hz使用由国家地理学会提供的差分校正接收器的工作原理的。基本上是相同的接收器，但具有较低的刷新率。这条公路的特点是有很多沿其两侧的建筑物，主要马德里附近，接着是区域没有与用于接收GPS信号，一些障碍一个山区障碍和精加工。与此测试中，我们试图表明的GPS高精度定位在较恶劣的环境中演化比前面的情况。在这种情况下，在每个方向上行驶距离大约90km，用最大速度120km/h，平均速度是80.45km/h。路由的统计显示如表2所示。

        表2. 在A1路线中的RTK DGPS和自治的GPS之间的误差比较

图4.GPS的精度沿A1中的路由过程的演变比较

在这种情况下，样本的数目是比以前的实验下，因为这种GPS刷新率是以前的GPS1的五分之一。另一个重要的因素是，由于在路线的GPS没有接收卫星信号（样品的55.85％），

从而降低跟踪位置的数目的某些部分一个坏信号接收环境。两个GPS设备的平均定位差，当RTK单位为类型4定位是非常低的。这种低错误的原因是由于很好的卫星配置和自主接收机的优良品质。然而，在路径的某些部分中，自主GPS失去信号，从而获得10至20μm，因为高数的平均考虑点中的哪一个，在其演算结果没有错误。在这种情况下，当差分GPS的定位是在类型5中的误差增大至2.45微米。这意味着，在该路由中的这些部分，条件是多退化为GPS装置和差动系统维护子测量精度由于差分校正，但在自治系统不能维持最高的精度和波动很大。最后，当差分GPS是在类型1中，两个接收器以类似的方式工作，并且它们的行为是非常接近的。

该错误的实验过程中的变化与时间如图4所示。我们可以看到在测试开始的时候，某些丢失卫星信号的路线，因此在这些路线上获得了一小部分样品。这也表明在类型5的定位来自自主GPS定位有一个错误，这也解释了这种定位的高平均值。这主要是路上的建筑物和障碍物存在所引起的。在实验的最后三分之一的差分GPS的位置保持优良，即使在高速公路位于一些山区和山谷的一区。在这个实验中，我们表明，需要另一种类型的GPS接收机具有较高的速度来恢复定位和冗余系统，当GPS失效保持位置。

3.3. RTK-DGPS3（第二A1公路线路）为了解决一些以前的限制，我们使用不同的GPS差分接收机模型在A1高速公路反复试验。这种新的模型可以在同一时间使用美国的GPS和俄罗斯的GLONASS卫星，增加了接受最小数量的定位卫星的可能性和当它丢失的时候接受的速度。本装置的位置的刷新率为10赫兹。卫星消失引起的定位消失这一特点也会影响回复速度，因为控制环路的速度也增加，它发现新卫星更快。在这种情况下，样本的数量急剧增加，因为GPS失去其（在向外32.27％，19.75％的回报率）信号的频率较低。这也符合与自主GPS的异常行为。即使它比差更频繁地失去其位置，所提供的定位是由于良好的卫星的配置非常准确，如表3中所述。卫星信号质量的演变也示于图5，其中类型1的定位质量仅偶尔出现。

         表3. 在A1第二条路线中的RTK DGPS和自治的GPS之间误差比较

图5. GPS精确度的演变沿着第二路径中的比较在A1

有了这种GPS接收器，我们已经证明，高刷新率和为了提高可见光的数量列入的第二星座卫星是一个重要的进步，当我们想要大部分的运行时间有最大的精确度。然而，这个系统频繁失去4型信号。丢失的原因是使用的虚拟基站是基于美国国家地理学会的基站网络，它仅使用GPS卫星星座的可见卫星。这意味着，我们的接收器只使用GLONASS的第1类定位为了快速的回复定位，但不计算在差分定位的位置解。

3.4. RTK-DGPS3+专有基站（结合全市高速公路路线）。为了解决这个缺点，我们进行的最终测试。在这种情况下，我们安装了能用GPS和GLONASS卫星计算差分校正的基站。在差分模式下与这两个星座的远程GPS定位了。该基站有生成10赫兹的差分校正能力，比标准的基站生成1赫兹的快。尽管此功能不会影响RTK定位的移动行为，当我们需要实时的同步操作，而低延时差分改正刷新它可能是有用的。

    在这种情况下，差分校正传输方法中使用的点对点以5瓦的功率无线电调制解调器。不幸的是，这个基站设备的周围只有10公里。这意味着只有在UPM校园的本地测试以及在这个校园附近的A3高速公路是可能的。

    在这个实验中，驾驶区设有清晰的卫星可见区，高层建筑区，檐篷和桥梁。然而，结果比在任何其他情况下更好，如表4所示。4型定位的样本是其他类型的两倍以上。这意味着这很容易使GPS接收器来计算这些精确位置，因为可以它可以同时使用两个卫星来获得一个固定的解决方案。在这种情况下，计算类型4位置的平均卫星数是8颗。这才是一个车道级定位真正的改善。

表4. 在高速公路，城市的路线，在校园附近的RTK DGPS和自治的GPS之间误差比较

图6. 的GPS精确度的演变围绕第二路径中的比较UPM南校区

定位误差的演变如图6所示。正如我们已经指出的那样，大部分GPS的差分定位都运行

在类型4，偶尔会在类型5（浮点），只有少数几次在类型1（自动的）。该设备提供了最好的结果，但是，在另一方面，我们也只能用它在各地的校园小区域。

3.5 惯性结果。惯性测量系统可以在两种主要情况中使用: 当GPS的精度下降（类型5或类型1），或者当GPS信号丢失。这种方法的主要问题是，该错误是累积的。很明显，路途遥远导致GPS定位和惯性之间的误差大系统的定位，但这些信号可用于很短的时间，直到好

GPS的精度被回收。然后位置被更新。

    由于上述原因，有必要评估的累积误差的大小。当GPS信号消失，用两点之间的惯性系统来计算这个验证。考虑到这部分的第一个点作为原点，当GPS信号被回收，终点和定位进行比较。沿着A1公路测试的一个不同的地方如图7所示。正如可以看到的，在两点之间移动距离和误差之间存在着线性关系。

    考虑到以前的结果，这种精度的惯性系统可以提高GPS的定位精度，当信号丢失或者信号衰减不能太多的距离（该情况在3.4节介绍）。问题出现时类型4的精度水平是相当罕见的(3.2和3.3节)。在这些情况下，惯性系统引起的误差可能会为某些目变得不可接受的。

    4.结论。在本文中，我们已经提出了一系列真实的道路测试来评估涉及12V通信的不同高精度GPS定位系统，其结果可以被应用到去设计需要车道位置的新一代车载安全系统。在这些实验中的一些高速线路已经覆盖，用RTK差分GPS在几个位置的刷新率，GPRS和UMTS通信和两个不同来源得到的差分校正，以提高定位精度：一个专有架构基站和由西班牙国家地理研究所提供的虚拟基础系统。最后，我们已经测试过的美国的GPS卫星星座与俄罗斯的GLONASS卫星星座，取得了一系列广泛可用的卫星，在城市环境中一个非常有用的功能相结合。该系统以其专有的基站为我们提供比基于虚拟工作站系统更好的效果，和偏差超过1米大是非常罕见的，因此它可以在车道定位需要的应用程序中使用。主要缺点是它的小范围，所以准确的结果只能得到近车站和改正是不可能的太远了。

    当GPS信号丢失的时候，为了提高定位质量，例如在隧道，檐篷或由于高大建筑物所引起的闭塞，我们已经补充了GPS装置用陀罗平台和非接触式速度传感器的组合，当GPS的精度被降低为短时期的时候，这使得没有卫星信号接收情况的维护精度。

    有一个广泛的这种类型系统的应用，例如避免碰撞，高精度数字制图的发展（主要是二级公路），交通管理，车道保持警示，合作或驾驶车辆的自主发展公共道路循环，然而，他们中的一些需要高精度（上线）定位到正常工作。这一要求意味着那些几个GPS定位技术，可以提供这些精度等级很深的造诣。对于今后的工作中，我们打算参加这两项创新的解决方案：2IV通讯通过GPRS和双卫星星座GPS+ GLONASS。

 

 

 

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