MIMU/DGNSS組合導航技術在城市智能公交中的應用

劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

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MIMU/DGNSS組合導航技術在城市智能公交中的應用

劉振耀，馬永健，王同合，劉松林

(信息工程大學 地理空間信息學院，河南 鄭州 450001)

為解決智能公交GPS在城市環境中易受干擾的問題，設計低成本MIMU和DGNSS松組合算法，并進行兩類跑車實驗。利用自編寫的GNSS測試軟件對該算法處理后的定位結果和高精度差分GNSS接收機的基準結果進行比對。實測結果表明,在城市復雜環境中該組合模塊定位連續性達99.59%，其中75.68%在3 m以內，與傳統GPS模塊相比，在同樣低成本的前提下提高定位結果精度和定位連續性、可靠性。

智能交通；MIMU；DGNSS；松組合；公交定位

隨著現代化智能公交系統的發展，傳統的公交定位方式已經不能滿足現代公交的要求。公交管理部門需要對公交車實時定位跟蹤，隨時隨地了解某輛公交車處于什么位置，并在定位的基礎上對公交線路或整個公交系統實施合理調度。傳統的公交車輛大都采用GPS偽距定位，定位精度在5～17 m[1]，并且在城市環境中易受到遮擋或干擾而導致定位精度變差，甚至無法工作[2]。隨著我國北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)完成對亞太地區的完全覆蓋和BDS導航產業民用化率先在交通運輸領域試點推廣，基于北斗導航系統和移動通信網絡的車輛遠程管理/調度方案成為智能交通領域研究的熱點[3]。多星座的組合可以增加可見衛星的數目，改善衛星的觀測條件，但并不能避免在有樹蔭、高樓、電磁干擾地段(如基站、變電站等附近)、立交橋下、隧道下、衛星信號受到遮擋或干擾，導致公交車無法進行定位或定位精度較差的情況。慣性導航系統的優勢在于能夠實現自主導航，劣勢在于其定位誤差會隨時間的推移而逐漸累積，從而導致長時間定位結果可靠性不高。組合導航系統可充分發揮各導航裝置的優點，使得整個車輛組合定位系統兼具高精度與高容錯性，又可在復雜環境下長時間保證定位結果的精度與可靠性，并且隨著微機電導航系統的發展，實現低成本組合導航已經成為可能。松組合導航方式具有工程實現簡單、可靠性強的優點，并且在國內目前的研究中，已取得很好的進展[4]，但在公共交通領域的實際應用并不廣泛。

本文提出低成本MIMU(Micro Inertial Measurement Unit，微慣性測量組合單元)和DGNSS(Differential Global Navigation Satellite System，差分全球導航衛星系統)松組合導航模塊應用在城市公交中，將衛星導航、慣性導航組合使用，不僅可以為監控調度系統提供公交車實時運動狀態，當前的準確位置，而且可以提高公交定位的連續性、可靠性。

1 技術原理

1.1 MIMU/DGNSS松組合系統結構

采用MIMU和DGNSS松組合方式構成組合導航系統，根據位置、速度組合導航方案，采用間接Kalman濾波及閉環校正方式，MIMU輸出運動載體3個方向的加速度及角速度，DGNSS可在差分條件下輸出載體的3個方向的位置和速度。系統結構如圖1所示。

圖1 低成本MIMU/DGNSS松組合方式

利用MIMU導航解算方法計算出載體位置速度和姿態，然后將所得結果與DGNSS模塊解算獲得的位置、速度相組合，進行DGNSS/MIMU組合導航濾波，然后利用濾波結果閉環校正慣導輸出的姿態導航參數，從而完成導航輸出，同時對慣導系統的傳感器誤差和數學平臺誤差進行反饋校正，以進行下一次導航濾波。

1.2 MIMU/DGNSS松組合系統狀態方程

MIMU/DGNSS松散組合使用間接法分散卡爾曼濾波來實現，在間接法分散卡爾曼濾波器中，使用MIMU作為參考子系統。主濾波器的狀態方程采用MIMU的誤差狀態方程，推導位置、速度和姿態誤差傳播的微分方程，并對加速度計和陀螺儀誤差建模。

得狀態方程：

系統噪聲協方差陣：

1.3 MIMU/DGNSS松組合系統觀測方程

觀測方程為

2 實驗分析

2.1 數據背景

本次實驗測試設備(低成本MIMU和DGNSS松組合導航平臺)采用核芯星通UM220-INS衛星增強高精度OEM模塊，在實驗前已將上述原理中所述組合導航算法在模塊中實現，可在線處理測試數據。基準設備為中海達H32 BeiDou/GPS/GLONASS雙頻實時動態GNSS接收機，RTK平面測量精度為±(10 mm+1×10-6D)，高程測量精度為±(20 mm+1×10-6D)，基準設備精度滿足測試需求。

本次實驗數據在鄭州進行采集，利用鄭州市當地CORS網為測試設備提供實時高精度差分改正數，實現基準設備和組合模塊的差分定位，基準和測試的采樣率都為1 Hz。實驗過程中用別克商務車作為測試平臺，將RTK流動站和差分模塊的天線固定在車頂，其相對位置如圖2所示，車頂測試平臺見圖3(圖上貼在車頂上黑色小方塊為圖3組合導航模塊天線A2位置，白色接收機為基準RTK設備C2位置)。實驗過程中選取不同的路段進行數據采集，同時人為拔天線一段時間模擬衛星失鎖的條件，著重分析在遮擋環境下組合導航模塊定位結果的可靠性及穩定性。

圖2 天線位置關系圖

圖3 實驗車頂測試平臺示意圖

2.2 實驗分析

第一類實驗，測試車輛以50 km/h(公交最高速度)在鄭州基站網內網外路線、開闊環境、高樓高架遮擋各種環境中行駛，對RTK接收機和組合導航模塊進行精度和連續性分析如圖4所示(紅色為RTK接收機軌跡，白色為行車軌跡)。以中海達RTK數據為基準，利用自編寫的GNSS測試軟件對組合導航模塊數據進行比對，結果如表1所示。

表1 基準RTK定位和組合導航模塊比對結果

注：定位連續性=理論定位數據條數/實際定位數據條數

第二類實驗，數據在衛星信號良好開闊條件下(全程無過橋，無遮擋)采集，保證基準RTK數據的連續性。同時，組合導航模塊人為設置兩段90s左右拔天線過程。數據采集結束后，比對組合導航模塊測試數據和高精度差分GNSS基準定位誤差，著重對衛星信號失鎖的90 s內組合導航模塊性能進行測試評估，如圖5所示。

圖4 測試路線軌跡對比

在0對應的時刻拔掉天線，由圖6可知在短時間(60 s)內依然可以維持在3 m以內的精度，超過60 s定位漂移開始增大，在90 s左右恢復天線，導航結果會慢慢恢復到3 m以內。

圖6 拔天線前后組合導航模塊水平定位精度(時段1、2)

2.3 實驗結論

實驗比對結果表明：高精度基準RTK能實現厘米級定位但受復雜城市環境影響，定位連續性僅為65.88%，單純依靠衛星定位的連續性較差；低成本MIMU/DGNSS 松組合導航模塊在復雜城市環境的定位連續性達99.59%，其中75.68%在3 m以內，同時當衛星信號短時失鎖(約60 s)的情況下，組合導航模塊依然可以提供3 m左右的定位結果，與GPS偽距定位相比，組合導航模塊具備持續提供更高精度定位的能力。

3 結束語

智能交通面臨的是實現車輛城市環境中低成本穩定可靠的連續定位問題。智能公交的發展是城市現代化建設的大勢所趨，是提高社會公共服務水平的重要組成部分。針對我國現有公交系統的發展情況，本文提出低成本MIMU/DGNSS松組合導航模塊在城市公交中的應用，可以提供穩定可靠的定位結果，為城市公交“智能化”提供技術保證，具有良好的實用價值。

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[責任編輯：張德福]

Application of MIMU/DGNSS integrated navigation technology to the intelligent public transportation

LIU Zhenyao,MA Yongjian, WANG Tonghe, LIU Songlin

(School of Geography Spatial Information,Information Engineering University,Zhengzhou 450001, China)

In order to solve the problem of GPS of intelligent bus for which is easy to be jammed, a low cost MIMU and DGNSS loose combination algorithm is designed and a dynamic car test is performed. Then the GNSS test software written in this paper is used to compare the results of the algorithm with the benchmark results of the high precision differential GNSS receiver.The experimental results show that in the complex urban environment,the integrated navigation module positioning continuity is 99.59%, of which 75.68% is less than 3 m. Compared with traditional GPS module, under the premise of the same low cost,the positioning accuracy,continuity and reliability can be improved.

intelligent transportation；MIMU；DGNSS；loose combination；bus positioning

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.03.011

2016-03-28

信息工程大學“2110工程”建設項目(510087)

劉振耀(1990-)，男，碩士研究生.

王同合(1968-)，男，教授.

P221

A

1006-7949(2017)03-0051-05

引用著錄：劉振耀，馬永健，王同合,等.MIMU/DGNSS組合導航技術在城市智能公交中的應用[J].測繪工程，2017，26(3)：51-55.