《 无人驾驶原理与实践》一3.4基于GPS+惯性组合导航的定位系统

3.4基于GPS+惯性组合导航的定位系统

      惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS，简称惯导）是一种基于陀螺仪和加速度计的信号组合的自主式导航系统，它可以运行在水、陆、空等多种环境中。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，测量载体在惯性参考系的加速度和角速度信息，再将这些测量值对时间进行积分，把它变换到导航坐标系中，最后得到导航坐标系中的速度v、偏航角yaw和位置x/y等信息。一般情况下会结合GPS使用，并融合经纬度信息以提供更精确的位置信息。
       其具有以下优点：
       1）由于它不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，故隐蔽性好，且不受外界电磁干扰的影响。
       2）可全天候地工作于空中、地面乃至水下。
       3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低。
       4）数据更新率高、短期精度和稳定性好。
       其缺点是：
       1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间增加而增大，长期精度差，容易产生温漂、零漂等问题。
       2）每次使用之前需要较长的初始对准时间。
       3）设备的价格较昂贵。
       GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）是基于GPS信号的导航系统，在无人车定位系统中也是必不可少的。普通GNSS设备在标准定位服务（Standard Positioning Service，SPS）定位模式下，一般可达到10m以内定位精度。由于天气原因，以及电离层、云层、太阳活动的变化，定位精度可能会在一定范围内波动。在城市环境下，特别是人口密集的超大城市、高楼密集环境下，定位精度可达10~100m区间；除了上述SPS（标准定位服务）外，还有PPS（Precise Positioning Service，精确定位服务），这种服务主要面向军用服务；SBAS（SatelliteBased Augmentation System，星基增强系统），即采用卫星作为基准参考站；GBAS（GroundBased Augmentation System，地基增强系统），即采用地面基站作为基准参考站；DGPS（Differential Global Positioning System，差分GPS），其采用基准站的差分修正来提高定位精度。
       目前很多无人车公司，包括百度、景驰、小马等，普遍都是采用RTK GPS+惯导等定位方式。RTK（RealTime Kinematic，实时动态）是一种新的常用GPS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算，才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，采用了载波相位动态实时差分方法。RTK技术建立在实时处理两个测量站的载波相位基础上，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。在高楼密集的城市环境下，定位误差依旧可达到10~50m，误差主要来自于建筑物对RTK GPS信号的遮挡、反射、衍射等，并且楼群越密集、越高，定位信号越差，定位误差也就越大。

3.4.1定位原理

       GPS定位的原理较容易理解，主要采用三角定位法。原理如图38所示。

       三个卫星组成一个三角形，另外一个卫星提供对时校准，通过计算三个卫星位置几何数据，并融合同步计算结果，从而计算出当前车辆的卫星坐标位置。
       根据上文的介绍，只要得到卫星几何平面的参数及无线电传播时间，就能计算得到无人车的位置。但在实际工程应用中，远比这样的理论计算复杂得多。在实际工程应用中，卫星信号的传播还受大气电离层的反射，云层反射和折射，树木、高楼对信号的反射折射等，这些都会影响到GPS信号传播，从而影响到测距信息的准确度。
       为了降低天气、云层对GPS信号的影响，出现了其他GPS技术，如差分GPS（DGPS）。这种技术通过在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离，然后再根据误差修正结果，从而提高了定位精度。
       差分GPS分为两大类，即位置差分和距离差分。距离差分又分为两类，即伪距差分和载波相位差分。而我们常说的实时动态载波相位差分技术——RTK技术，即载波相位差分。RTK技术是实时处理两个基站载波相位观测量的差分方法，即将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，通过求差解算坐标。载波相位差分系统可使定位精度达到厘米级别，这也是很多无人车公司采用RTK技术定位的原因，但由于硬件设备成本极高，因此目前采用RTK定位技术实现大规模量产商用的可行性不高。
       至此，我们了解了GPS定位的原理，但GPS设备信号更新频率较低，一般在1~20Hz级别，也有50~100Hz以上的，但这些大都是根据插值算法，在发送的时间空隙中做了数据弥补，并不是真正意义上的信号生成数据。对于高速运动的车辆，假如速度是100km/h，这就意味着车辆每秒钟行驶的距离是28m左右，假如GPS的更新频率是1Hz，那么下一次收到GPS信号时就是车辆已经行驶了28m之后。如此低的更新频率，会导致无人车驾驶安全问题。而INS这些设备的更新频率很高，通常在50~200Hz左右，我们可以通过INS设备获取到车辆的速度、加速度、航向角等信息，再通过对时间的积分运算，获得位置信息。如果GPS定位信号的频率提高到100Hz的水平，也就是每10ms输出一次定位结果，对于100km/h运行的车辆来说，即大约每28cm更新一次位置信息，可以保证自动驾驶的最小基本安全要求。因此，INS设备的引入对定位频率的提升和辅助有很重要的作用。