引言

　　隨著城市現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，市區(qū)定位系統(tǒng)信號(hào)受到日益增多的高層建筑和立體式交通的影響，多路徑效應(yīng)和遮擋嚴(yán)重，無(wú)法保證穩(wěn)定的定位和可靠性；航位推算系統(tǒng)采集車輛運(yùn)動(dòng)傳感器信息進(jìn)行獨(dú)立連續(xù)的導(dǎo)航，但由于傳感器和計(jì)算誤差隨時(shí)間不斷累積，因此，只能保證短時(shí)間的定位。數(shù)字地圖匹配是提高定位非常有效的手段，但只有在拐彎處才能提供與地圖相當(dāng)?shù)男拚畔?，且?dāng)匹配前原始位置信息偏差較大時(shí)，MM很難匹配出正確的位置。因此，單一系統(tǒng)或簡(jiǎn)單的組合均難以勝任城市中車輛高的導(dǎo)航定位，即存在一定范圍的導(dǎo)航“盲區(qū)”。

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性規(guī)范，具有抗干擾、低功耗、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)混合傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于城市車輛導(dǎo)航，通過布置一定數(shù)量的藍(lán)牙路標(biāo)傳感器進(jìn)行車輛的定位，是本文實(shí)現(xiàn)城區(qū)無(wú)“盲區(qū)”高導(dǎo)航定位的關(guān)鍵。

　　傳感器及定位信息的增加能夠提高車輛導(dǎo)航的和觀測(cè)信息的冗余度，如何有效融合多組傳感器信息是決定終性能的關(guān)鍵。本文分析了新型BB傳感器定位原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了GPs／DR／BB／MM多信息融合原理及算法，，通過跑車結(jié)果分析，驗(yàn)證方案具有很高的定位和實(shí)用性。

　　1 BB傳感器定位原理與設(shè)計(jì)

　　路標(biāo)傳感器是一種無(wú)線電信標(biāo)（signpost），由發(fā)射和接收裝置兩部分組成，為達(dá)到定位的目的，必須使發(fā)射和接收信號(hào)在某一特定的范圍之內(nèi)有效。新興的短距離無(wú)線藍(lán)牙通訊技術(shù)的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)城市導(dǎo)航“盲區(qū)”車輛的定位提供了可能。利用BB傳感器實(shí)現(xiàn)車輛的定位，是基于路標(biāo)和車載單元中嵌入式主從藍(lán)牙模塊（Bluetoothmodule）間無(wú)線通訊進(jìn)行的，具體定位原理如圖1所示。

　　設(shè)BB有效作用范圍為半徑的圓，路標(biāo)存儲(chǔ)道路中心的的位置坐標(biāo)為（‰，Y0）。當(dāng)車駛至路標(biāo)有效作用區(qū)域（A點(diǎn)）時(shí)，兩模塊間開始試圖建立通訊，直至車行駛到曰點(diǎn)時(shí)通訊建立完畢，車輛完成的位置校正，即，=‰，Y=Y0。（，Y）為終輸出的車輛經(jīng)緯度位置信息。

　　根據(jù)BB定位原理，本文實(shí)現(xiàn)的新型BB傳感器及通訊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　BB主要包括C8051F單片機(jī)和藍(lán)牙主通訊模塊（mas.termodule）兩部分。C8051F單片機(jī)作為路標(biāo)傳感器的主控制芯片，硬件配置其兩路UART串口資源中COM1口連接主藍(lán)牙模塊，并控制與車載單元中從藍(lán)牙模塊（slavemodule）之間的通訊鏈路建立和定位信息的通訊；COM2口擴(kuò)展為上位機(jī)接口，用于接收PC上位機(jī)的路標(biāo)位置參數(shù)設(shè)定信息。根據(jù)選用的藍(lán)牙模塊的不同，藍(lán)牙主從模塊間通訊距離也有所差異。本文選取有效通訊距離為10m的藍(lán)牙模塊，通過BB位置校正后，組合定位誤差可確保在10m。

　　2 GPs／DR／MM／BB組合

　　導(dǎo)航原理引入BB后，新型城市車輛組合導(dǎo)航系統(tǒng)中包括了4個(gè)子系統(tǒng)，即GPS／航位推算／地圖匹酉己／BB輔助定位系統(tǒng)。

　　為有效融合各子系統(tǒng)導(dǎo)航信息，下面研究了城市車輛GPS／DR／MM／BB四組合導(dǎo)航定位原理，組合原理框圖如圖3所示。

　　首先，DR系統(tǒng)采集車輛里程儀的脈沖信息n和陀螺儀角速率W，計(jì)算獲得車輛的位置Z、速度和航向A。當(dāng)城區(qū)GPS信號(hào)穩(wěn)定有效時(shí)：輸出的航向信息A：修正DR航向，并與DR導(dǎo)航信息進(jìn)行濾波組合，估計(jì)出車～～輛的位置Z和速度V。GPS／DR組合信息進(jìn)行數(shù)字地圖匹配后，獲得終的位置Z、速度和航向A，同時(shí)，反饋位置和航向信息給DR系統(tǒng)校正累積誤差。組合運(yùn)算過程中，一旦接收到藍(lán)牙路標(biāo)傳感器發(fā)送的位置信息，直接對(duì)GPS／DR的組合位置信息進(jìn)行校正。

　　3 組合算法研究

　　從GPS／DR／MM／BB組合原理分析可知，GPS／DR組合是本文研究的多傳感器信息融合算法的。目前，車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的GPS／DR組合包括加權(quán)平均、集中卡爾曼濾波和聯(lián)合卡爾曼濾波3種方法。由于城市中GPS接收可靠性較低，定位差異很大，因此，采用簡(jiǎn)單的加權(quán)平均或者一般集中式卡爾曼濾波算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)GPS與DR信息的組合，甚至?xí)隚PS的粗差，嚴(yán)重影響定位，下文主要研究了自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼濾波算法在城市高車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　3.1 聯(lián)合卡爾曼濾波算法

　　在多傳感器的組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，如采用單濾波器來融合所有傳感器信息，則任何一個(gè)傳感器或子系統(tǒng)的故障都可能影響整個(gè)組合系統(tǒng)。Carlson于1987年提出了基于信息分配原則的聯(lián)合濾波（federatedfilter）算法。對(duì)應(yīng)于各個(gè)傳感器構(gòu)成若干個(gè)子系統(tǒng)，由子濾波器（1ocalfilter，LF）進(jìn)行獨(dú)立的并行處理。再利用一個(gè)主濾波器（masterfilter，MF）對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的信息進(jìn)行融合。

　　子系統(tǒng)估計(jì)和全局估計(jì)之間的關(guān)系按以下融合算法確定：

　　主濾波器的信息通過信息分配因子分配到各子濾波器和主濾波器，即：

　　式中Q，（i=1，2?N）分別為系統(tǒng)組合和子濾波器i的噪聲方差陣。

　　3.2 GPS／DR聯(lián)合卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

　　限于城市的交通狀況，車輛一般視為低動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體，因此，可采用相對(duì)簡(jiǎn)單的勻速模型（constantvelocity，CV）作為車輛的動(dòng)態(tài)模型，即對(duì)車輛用位置、速度以及噪聲組成的參數(shù)來描述。

　　采用CV模型后，GPS／DR聯(lián)合卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量選取為：

　　式中，Y，分別為車輛沿東向和北向的位置、速度分量。

　　車輛運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)方程建立如下：

　　對(duì)于DR航位推算子系統(tǒng)（LF1），取其系統(tǒng)狀態(tài)變量X-=，系統(tǒng)方程同總體系統(tǒng)方程，其外觀測(cè)量為壓電晶體陀螺輸出角速率和車輛里程儀輸出的在采樣周期時(shí)間內(nèi)行駛的距離s，觀測(cè)方程為：

　　4 綜合試驗(yàn)

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證基于多傳感器信息融合車輛導(dǎo)航定位性能，對(duì)原理樣機(jī)在南京、廣州、沈陽(yáng)和香港等多個(gè)城市進(jìn)行了大量的跑車試驗(yàn)，下面主要對(duì)香港的跑車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

　　試驗(yàn)采用GARMINGPS接收機(jī)，ENV-5型壓電晶體陀螺儀，里程儀信號(hào)取自香港理工大學(xué)的Honda試驗(yàn)車，利用IBM筆記本進(jìn)行GPS／DR／BB組合數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字地圖顯示。路線從香港理工大學(xué)出發(fā)，沿紅瑚一中區(qū)海底隧道一銅鑼灣一灣仔一中環(huán)，至上環(huán)。圖4反映了試驗(yàn)過程中GPS受到城市高層建筑及立交等影響，HDOP值劇烈變化情況，試驗(yàn)過程中，自適應(yīng)調(diào)節(jié)GPS信息分配因子島值大小。

　　試驗(yàn)中，香港島灣仔段GPS接收狀況較差，利用GPS／DR自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼濾波組合后定位結(jié)果如圖5所示。分析表明：此段GPS幾乎無(wú)法提供有效的定位，定位點(diǎn)發(fā)散嚴(yán)重，誤差達(dá)151.7m。采用GPS／DR自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼濾波組合后，車輛定位得到顯著提高，定位誤差有效降低至l8.7m。

　　試驗(yàn)過程中，車輛經(jīng)過全長(zhǎng)約1.9km的九龍半島一港島中區(qū)海底隧道，DR誤差不斷累積，為驗(yàn)證GPS／DR／BB組合效果。在隧道出口處布置BB進(jìn)行誤差修正，表1為BB校正前后定位結(jié)果和誤差分析。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明：本文研究的新型BB傳感器可校正系統(tǒng)定位誤差，GPS／DR／BB組合定位能夠有效彌補(bǔ)城市中車輛定位和可靠性的不足，確保車輛全程較高的導(dǎo)航定位，組合結(jié)果進(jìn)一步經(jīng)過MM后，可完全匹配到行駛道路中，從而提供更高的定位（E<10m）。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文研究了新型BB傳感器及GPs／DR／MM／BB多信息融合技術(shù)，建立了基于自適應(yīng)聯(lián)合卡爾曼濾波的GPS／DR組合算法。實(shí)際跑車試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了理想的導(dǎo)航，驗(yàn)證了BB傳感器定位和多傳感器信息融合算法是可行的，能夠有效地提高城市車輛導(dǎo)航定位的性能和可靠性，符合高導(dǎo)航定位要求。