高速公路上全球定位系统和惯性系统的高精度定位
翻译人：潘文祥 自动化1003201003120318
：车辆在公路上的准确定位是汽车领域的一大挑战。可能会影响导航仪、车道偏离报警系统、碰撞报警系统等多个车载系统，如数字制图供应商。本文的目的是评估高精度定位系统，它可以为cm精度源提供一个开发的车道定位系统，并将其用作信息源。在这篇文章中，我们在公路上做了几个实验来测试一些GPS系统：自主导航定位系统；RTK差分GPS；RTK差分GPS通过车对基础设施连接到西班牙国家地理研究所GPRS通信的公众GPS基站网络和惯性测量系统（INS）退化卫星信号接收区保持位置精度GPS组合。在这些测试中，我们证明的有效性与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，公共道路上的速度接近每小时120公里，高达100公里。
：DGPS;惯性系统；RTCM DGPS
。直到一些全球导航卫星系统，能够独立驾驶的完全独立的汽车才实现。（GNSS）为了用已完成路线的数字地图定位车辆，例如GPS。近年来，一些从研究项目和出版物设计到自主车的研究项目都得到了证明。
第一辆独立汽车的原型只有一条能力保持私人圆形循环路线或循环车道。当汽车在高速公路上行驶时，它会自动管理方向盘。与此同时，卡耐基梅隆大学的导航实验室（NavLab）第一款独立车型的原型可以管理转向和神经网络算法的速度，但没有一个高水平的计划层表示一条完整的路线。关闭选择可用性（SA）在GPS信号意味着在GPS在自主模式下工作时，可以提高定位精度100μm误差减少到15-10米。直到SA被关闭GPS作为参考传感器，设备在自主汽车领域没有广泛使用。校正差异的技术允许来源于GPS误差提高15-10米至1厘米。校正差正包括添加微积分和GPS计算设备的位置。第二个全球定位系统被命名为基站，地理坐标定位并安装在静态基础设施中。提高精度的机制简单有效。考虑到这个错误，计算和使用基站GPS卫星星座的位置。一旦计算其位置，将基站与地理参考1进行比较，以获得定位误差的偏移。这种偏移是通过国家最先进的无线通信发送到工作范围内(约30公里)所有连接的独立公式GPS从基站接收到的偏移校正可以使用该装置。如果仅使用GPS伪距码得到差分修正，被命名为差分GPS（DGPS），精度可达1-5米左右。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。例如，在驰自主车型计划中，一组汽车已自动使用RTKDGPS输入主要传感器。然而，该系统的定位有明显的局限性。由于30，这些汽车只能在基站旁边行驶一小段距离KM精度限制。短无线通信距离用于传输差异校正。通过解决方案方案来克服距离的限制OMNISTAR改正卫星星座传输差异。该系统使用地球同步卫星发送的信息，并接受之前订阅的兼容接收器。这种修正可以让GPS接收器在4 m精度10厘米。这类系统用于新一代自主车，如DARPA大挑战的KAT-5【6】。改正卫星差异的其他解决方案是SBAS例如(星基增强系统)SciAutonics团队使用[7]。不幸的是，这些基本的卫星系统有一个重要的缺点：当它们在城市环境中使用时，建筑物造成的隧道效应可能会降低精度。
为了解决上述两个系统的局限性，最近出现了一种新的解决方案技术。欧洲地理机构现在通过互联网提供差异化解决方案，可以通过汽车对基础设施进行解决GPRS蜂窝电话通信访问。该系统的主要新颖之处在于，它总是在附近移动，以产生最佳差动修正。GPS创建虚拟参考站。然而，校正信息总是需要有最好的功能区来制作准确的信息。通过这个虚拟站GPS参考站欧洲集群创建网络，这意味着该方法适用于欧洲任何厘米的精度范围。然而，在某些情况下，它是无法接收的GPS信号，GPS接收器无法工作。这些都是隧道、桥下十字路口、树下的檐篷或建筑区。在这种情况下，在GPS停止运行时，需要增加新的航位计算传感器，以确保高精度定位9。这样一来，Nebot等人[10]描述导航任务中的模型和传感器GPS误差。智能的智能车应用组合系统研究。但主要集中在高信号完整性、低精度、低成本[11]上。
目前对这种高精度、高可靠性的定位系统需求量很大，用作车辆安全操作传感器。欧洲几个项目，如NextMAP或PREVENTMAPS&ADAS都专注于分析新一代GPS相关系统、准确的数字地图、驾驶安全系统和高级驾驶员辅助系统（ADAS）应用[12][13]。由于这一研究领域的重要性，欧盟在电子安全倡议中建立了一个数字地图工作组，以解决欧洲、世界、当前数字地图及其未来的所有应用。在这些安全系统中
也有一些结果在基于GPS碰撞驾驶系统[15][16]技术应用开发。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比较结果，DGPS RTK技术和专有基站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和陀螺仪平台以及退化卫星信号接收中的非接触速度传感器。保持定位精度的卫星信号损失，如隧道或城市建筑物的隧道
道路效应。有了这些系统，一些真正的道路实验已经在马德里周围进行了500多公里的运行测试。这种新开发的技术具有广泛的应用前景，如公共道路自动驾驶、交叉口安全管理系统、自适应巡航控制、车道偏离警告系统或高精度数字地图的开发。
不同类型的GPS接收器之间的对比分析，乘用车和板载定义的参考测量配置。该配置是为了保持每个测试和组成：
●惯性测量系统：
○ CORREVITL-CE测量速度和距离旅行的非接触速度传感器。
○ RMS FES33陀螺平台提供的三轴角度测量。
X轴沿车辆纵向轴对齐，Z右手坐标系和其他两个坐标系是垂直和Y形成的。因此，允许从Z和速度信号的角度获得的路径将围绕X和Y银行行和斜率的角度来看，不能从其他测量设备的信息来看。
●自主GPS定位系统:
○ASTECH G12的GPS自主更新接收机和10赫兹的频率。
此外，以下差异全球定位系统设备用于与参考配置进行比较。
○RTK-DGPS1：RTK DGPS更新频率5赫兹与西班牙国家地理研究所的差异校正，使用GPRS通过网络连接服务器。
○RTK-DGPS2：RTK DGPS它具有相同的特性，但频率更新为1赫兹。
○RTK-DGPS3:更新和使用10赫兹GPS和GLONASS的可能性的RTK DGPS。
虚拟GPS基准站由西班牙国家地理学会通过EUREF-IP服务提供。该服务是基于几个可以放置在每个连接的客户端上的永久性基站GPS站。该系统采用RTCM网络运输RTCM通过互联网协议推荐标准（NTRIP）将互联网所需的差异纠正连接到客户端的移动GPS可以在RTK DGPS工作在模式下传输。
●我们自己的设备和专有参考站
○更新频率为10赫兹RTCM以及使用GPS和GLONASS的可能性DGPS基准站
该GPS接收减少效果在最终比较结果中的差距，接收器被放置在彼此附近。这个距离是考虑数据后处理。GPS一台笔记本电脑和一台惯性测量系统的定位和模拟数据DAQ-Card-6062E采集卡记录。传感器放置在车辆上，如图1所示。
3.：我们在现实世界中使用了两种测试类型的定位设备。首先，我们围绕马德里理工大学南校区进行了一系列重复测试，以检查定位系统的重复性，并将其与广泛应用于其他研究项目的测试驾驶区进行比较[17][18]。本文提出了第二组涉及沿马德里周边地区和一些单行道路的公共道路的实验。这是我们在真实环境中测试定位系统，也有助于开发自主汽车系统或新一代汽车安全系统。这些实验作为测试定位的质量GPS根据信号质量GPS NMEA约定标准：第4类或固定cm波精度、5型或浮动子指标精度、1型或独立（设备校正定位不差）为cm波精度（10-15m最大误差）。测试系统正确性能的一个因素是时间接收器的固定或浮动定位模式、时间、在独立模式下工作的数量和在旅途中停止服务的时间。
。中交第一公路沿线M-607高速公路。这条路的主要特点是没有建筑物、山、树檐篷和可能阻碍开放领域的路线GPS任何其他元素接收卫星信号。最大流通速度是100km/h，平均速度94.5km/h。向外移动的距离0公里，返回30公里。从Colmenar Viejo到San Agust?′ 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。
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。
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。
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。
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。
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。
。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。
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。
。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。
。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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