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摘要：本文简要介绍了GPS接收机在特定城市环境下产生不精确定位的原因，分析了罗盘定位系统中陀螺仪的系统误差来源及其改正方法，详细介绍了GPS与惯性罗盘定位系统的集成及其解决方案。通过试验进一步说明了罗盘定位系统的作用和应用未来。
关键字：GPS 车辆定位 陀螺仪 罗盘定位系统
1.
引言
多年以来，研究人员花费极大的代价，使GPS在航空与航海的应用中成功地实现了惯性导航与GPS一体化的解决方案。面对发展前景广阔的车辆定位（AVL）市场，生产可*的低成本的陀螺仪和GPS接收机在目前仍然是个挑战。
在某些特定的城市环境下，GPS接收机的定位不精确限制了它的广泛使用，产生不精确定位的原因包括：①多路径效应：建筑物对GPS信号的反射
②阴影：城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓密的植被下，信号接收效果较差
③在隧道、地下停车厂造成的信号失锁
④在接收信号差的地区延长了初始化时间
⑤一些动态影响，如汽车大幅度增速与减速等。以上原因都会产生两种可能的结果，即GPS接收机无法提供任何位置或者定位精度陡然下降，误差甚至大于500米。于是，人们开发了一种用罗盘定位的位置增强系统来纠正和补偿以上原因造成的不良影响。
现在让我们进行一个试验：装备GPS接收机的汽车在中心商业区行驶，产生了如图1所示不可靠和不精确的位置，12信道的GPS接收机显示了几百米的误差，当汽车使入两个多层建筑物之间的小巷内，显示的位置任意跳动，由此可见，多路径效应引起了500
多米的误差。可以想象，在香港、纽约和东京这些具有城市“峡谷”，且多数时间卫星处在被遮挡的情况下，GPS接收机的显示将是怎样的结果？
图1 配备GPS接收机的汽车在高层建筑物间行驶的路线与真实路线的比较
GPS接收机制造厂商考虑到城市中信号的不稳定性，采用了许多几何算法企图在接收卫星数目刚好满足精确定位所需的数量下继续定位。如，假设纬度保持常数或者车辆始终保持在同一方向行驶。有时这种假设是合理的，但经常是不合理的。
2．
GPS增强系统
当GPS精度不能满足应用要求时，必须采用GPS接收机增强系统。如车辆导航系统的电子地图储存在车辆传感器的CD-ROM中，进行粗略定位、导行、转弯等，系统必须与储存的地理信息数据匹配，从而确定车辆的位置。这种通过系统屏幕显示和语音引导为驾驶员指明方向的自主导航系统运行比较稳定，并且在日本、欧洲、美国得到了广泛应用，但成本较高。
2．1 罗盘定位
船员使用的罗盘定位仪是由指南针和测速仪组成，从起始点起确定船体的行踪。同样，汽车也可使用这套系统，只要能确定方向和速度。解决速度测量比较容易实现，因为现在的汽车都有一个电子速度传感器，经处理的输出信号给出行驶速度和距离值。但是解决精确的、低成本的方向测量更困难，电磁指南针在地球磁场中能测量车辆的方向，而磁场从一地到另一地随时变化，需要随时进行指南针校正。而且象汽车空调和音响系统的电流在经过桥梁、隧道、建筑物时受到外部影响，也改变磁场。坡度的变化也影响方向的测量。
航空飞行用陀螺仪解决了方向测量问题，但是高质量的陀螺仪价格昂贵。
2．2 车辆定位中的应用
固态陀螺仪的成本较适合于汽车导航系统，由于它的条件限制，必须额外小心使用。于是，人们专门开发了一种汽车用罗盘定位系统，用速度传感器测量速度，当后退时用转弯灯指示。小型的摆动光柱或陀螺仪测量转弯率，这种陀螺仪只需5V的直流电便可运行，有大约22mV/度/秒的敏感性。0度/秒（陀螺仪偏差电压）相当于约2.5V
，为了确定行车的前进方向，从陀螺仪的输出结果减去陀螺仪偏差电压，将结果代入，相对于初始行驶方向产生一个方向变化。由于现代微处理器技术的发展，以上计算很容易，但是必须克服几个问题：系统必须精确测量陀螺仪偏差电压以确保通过算法处理没有转译成大的导航误差。陀螺仪偏差随着周围的温度而变化，同时电子和机械产生的噪音也影响输出信号。另外，车辆速度传感器本身也有误差源。罗盘定位系统就是要在关键时刻发挥作用，即当GPS不能提供正确服务时，它必须能处理传感器误差。
3. 误差来源
事实上，我们需要首先解释影响定位的所有误差，用于车辆定位的低成本的GPS接收机任意误差为15-25米（2-D根方差），上面提到过，在某些情况下误差达到几百米。DOP能解释由卫星几何位置不好和阴影造成的误差，而无法解释多路径效应造成的误差。有些接收机考虑了多种误差源就可获得所需的测量值，而普通接收机无法获取高质量的测量值。罗盘定位系统则通过适当的算法在有许多误差存在的情况下能提供很好的测量结果，不管怎样，罗盘定位系统也有局限性，因为车辆速度传感器对速度和方向也会带来误差源。在轴、驱动轮和地面距离的关系上，随轮胎磨损、轮胎温度及轮胎打滑的变化而变化，它导致每轮旋转10%的距离变化。
3．1 陀螺仪偏差
陀螺仪最重要的误差就是陀螺仪偏差的不确定性。通常陀螺仪输出的测量值包括角度误差，这个误差与真实信号混合在一起。为便于理解对方向计算产生的影响，考虑到系统用10bit模拟/数字转换器测量陀螺仪的输出结果。假设一个无噪声陀螺仪偏差电压，其误差值等于定量误差且大于0.5bit，约2.5mv
，相当于陀螺仪的0.1度/秒。
陀螺仪输出的偏差在方向上产生一个误差0.1度/秒×300秒
= 30度，这是一个让人无法接受的累积误差。
3．2 陀螺仪的另外一种误差
陀螺仪的另外一种误差呈非线性和其它不定性，与陀螺仪偏差误差相比，这种误差很小且对大多数车辆定位应用并不重要。
地形的复杂性给陀螺仪系统带来另一种误差。陀螺仪有一个垂直于参考坐标平面的灵敏性高的转动轴，如果轴不垂直，刻度因素的敏感性被倾斜角的余旋减少，10度的倾角（对于汽车是个很陡的坡），结果将增加1.5%的误差。精确地测量地面距离很重要，由于直接从GPS计算出的距离并不可靠，如果GPS以10秒间隔采样，当汽车在间隔时间沿360度环岛行驶，计算结果将为0。在GPS信号弱的地区或信号失锁地区，GPS测量误差达几百米。
4.
GPS惯性罗盘定位系统
通过仔细的信号处理和传感器管理，我们可以获得车辆行驶的地面距离，利用这些测量值和标准导航等式，罗盘定位系统可计算出一个惯性位置。不管传感器多贵，信号处理算法多好，无法解释的残余误差将累积，最后导致惯性导航不起作用。图2提出了了两种解决方案混合的策略，使惯性位置、行驶方向、陀螺仪偏差和速度传感器刻度估值等得到正确的处理结果。
图2 GPS与惯性系统融合在一起的解决方案
4.1 惯性子系统
惯性子系统包括陀螺仪、汽车速度传感器、管理它们的软件，及把行驶方向和距离转换为定位位置的导航等式。其等式与GPS接收机必须表达在同一个坐标系中（多数情况下，采用WGS84坐标系），并由GPS接收机提供位置、速度及行驶方向的参考数据。在混合处理的第一步产生了一个错误信号，即GPS变量与惯性变量之间的差异，在理想的情况下，这种差异为零，但事实上，它们之间总是不同的，差异为非零。在两个不同系统中，其误差源显示了不同成分，GPS空间信号误差是绝对误差，95%的时间小于22.5米。对比之下，惯性误差是累积的，并鉴于传感器的质量及信号处理算法，以一定的比率毫无止境地增加。
误差信号（GPS与惯性误差的混合误差）和质量因素传入导航的卡曼滤波器，滤波器从输入的混合误差中估计惯性误差变量值，减去结果惯性误差估值。导航滤波器利用质量因素确定GPS测量值误差的估值，最后
系统输出正确惯性值。
几乎所有的汽车导航定位接收机都能以1HZ的最大速率提供位置，而GPS惯性系统计算惯性位置的速度更快，它具有16bit的微处理器和10HZ的输出速率，甚至处理器的性能越高，速率越快。
5. 集成
上文提到，精确地估计陀螺仪偏差电压是至关重要的，影响偏差的最重要因素包括：电子噪声、机械引起的噪声、温度、电源的稳定性及模拟/数字转换器。于是，为了使汽车在静止和运动时产生需要的结果，设计一种动态偏差估值器，它能应变快速的温度起伏。
在城市环境中车辆定位接收机会产生不可靠的方向测量值，所造成的不精确数据的原因，除了纬度外，最值得怀疑的就是城市“峡谷”的影响。当陀螺仪的方向被初始化时，很有必要开发这种算法——区分方向测量值的可靠性和不可靠性。
罗盘定位系统采用了一种实效的方法，解决由于角度倾斜而造成的对陀螺仪刻度灵敏性的影响。由于绝大多数城市道路有小于10度以下的倾斜，标准软件不能补偿这种小误差的影响。但是，
标准软件对模拟/数字转换器（ADC）提供了一个额外接口，倾斜坡度、加速度值和其它应用传感器的功能可以很容易地增加到软件上。
5．1 与接收机匹配
目前市场上已经有了商业化的车辆定位GPS接收机板，它是这样设计的：将罗盘定位系统板与OEM板安装在一起，然后把GPS接收机插入罗盘定位系统板。陀螺仪、温度传感器、速度传感器和转向指示通过右转向连接器直接与罗盘定位系统板连接，或直接通过转换器与OEM板连接。罗盘定位系统板通过OEM板在电路中运行，如图3所示罗盘定位系统的构造。
图3 罗盘定位板示意图
6．
用罗盘定位的结果
为了测试导航系统，同普通GPS 测量结果进行比较，使用不同的陀螺仪和12信道GPS车辆定位接收机组合，一些测试在SA政策关闭之前进行，没有利用DGPS辅助。
6.1 在城市“峡谷”内进行测试
在商业区，汽车在两旁高层建筑物林立的道路上行驶，接收机有时连一颗卫星信号都无法搜寻到，这种情况下，从导航仪的显示屏上看，车辆下路并在城市的建筑物上行驶。而装备GPS惯性导航仪的车辆在搜索不到卫星信号的情况下，仍精确地在道路上行驶。
6.2 在高山和隧道区进行测试
从陡峭的坡向下行驶并穿过一个连一颗卫星都搜索不到的500米长的隧道，GPS惯性导航仪使汽车精确的沿道路行驶，在隧道中没有出现信号失锁。而单纯的GPS接收机通过隧道时起初18秒重复同样的位置，然后出现偏离，直到汽车开出隧道接收机再次捕获信号。这时系统已经产生一个很大的误差，必须用20秒重新纠正使其在限差之内。
6.3 在地下停车场内进行测试
汽车在一个商场下的停车场寻找泊位，采用GPS惯导的方法，汽车行驶路线很准确地与地图匹配，通过速度传感器计算驶过的地面距离，并不断修正GPS，产生优于驶过距离1%的精度；而只采用GPS的方法，在地下停车场一会儿，GPS接收机便显示奇怪的值，通过这些值计算驶过的地面距离，100%的错误。（见图4）
图4 配备GPS惯性导航系统与单纯配备GPS接收机的汽车寻找停泊位的比较
7．罗盘定位的未来
不论轿车还是卡车，许多综合信息系统（telematics）的应用都需要位置数据，如紧急救助、安全防范、出租车调度、交通道路负载状况、公共汽车和火车的乘客等候信息系统。这些位置数据需要连续地、可靠地由通过罗盘定位仪增强的GPS接收机提供。据估计，大批量的车载单元（超过100，000单元），与GPS芯片集成的软硬件，包括陀螺仪，其成本不超过20美元。
由于越来越多的城市出现交通拥堵，车辆定位综合信息系统（telematics）的基础设施在不断加强，车辆导航定位系统的市场需求在增加。预计十年内世界上大部分的车辆将配备车辆定位综合信息系统，同时低成本的的GPS接收机和罗盘定位系统的结合将进一步提高车辆定位综合信息系统服务的可靠性。 |
