摘 要： 針對(duì)盲區(qū)中使用INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位存在誤差積累的問題，提出一種基于DR航位推算、GPS全球定位系統(tǒng)和MM地圖匹配的組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法。該算法利用GPS和MM中得到的位置信息，一方面用于更新DR的定位信息，另一方面用于修正陀螺儀比例因子和里程表比例因子等參數(shù)，提高定位精度，防止DR系統(tǒng)推導(dǎo)的車輛定位誤差的積累。通過MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此算法可以有效約束INS的誤差積累，提升導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

　　關(guān)鍵詞： 組合定位系統(tǒng)；航位推算；地圖匹配；模糊控制

0 引言

　　車輛的盲區(qū)定位問題一直是業(yè)界的研究熱點(diǎn)[1]。目前盲區(qū)中主要使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）。但是INS存在一個(gè)致命的問題，即定位誤差會(huì)隨著時(shí)間而積累[2]。

　　參考文獻(xiàn)[3]介紹了一種對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分離并采用電子地圖組合定位，以糾正誤差積累的方法。參考文獻(xiàn)[4]介紹了一種利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、INS和車道檢測(cè)標(biāo)志三者相結(jié)合的定位系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，GNSS/ INS定位方法的漂移誤差由車道檢測(cè)標(biāo)記進(jìn)行補(bǔ)償修正。

　　本文提出一種基于DR/GPS/MM組合定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合算法。該算法融合DR和GPS的位置信息作為MM系統(tǒng)的輸入，然后MM系統(tǒng)的輸出將用于更新和修正DR的參數(shù)，這樣可以提高定位精度，防止DR系統(tǒng)推導(dǎo)的車輛定位誤差的積累。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　本系統(tǒng)中，DR系統(tǒng)被定為主要的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS和MM作為輔助系統(tǒng)。組合定位系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　1.1 DR誤差分析

　　DR誤差模型如圖2所示，點(diǎn)A（x，y）是車輛的實(shí)際位置，而點(diǎn)missing image file是DR系統(tǒng)測(cè)量得出的位置。γ代表方位角，n是里程表在采樣時(shí)間tk內(nèi)的脈沖數(shù)，K0是里程系數(shù)，xk和yk分別是采樣時(shí)間tk內(nèi)北向和東向的坐標(biāo)增量，OA是時(shí)間tk內(nèi)的里程增量[5]。

　　誤差模型可以列為以下方程：

　　在時(shí)間t時(shí)的方位角誤差定義如下：

　　在這里δγ0是初始誤差；Kg是陀螺儀的比例因子，它受到溫度、道路傾向等因素的影響；w(τ)是角速率；δg~N(0,σ02)。

2 基于DR/GPS/MM的組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法

　　在本章中，首先將詳細(xì)討論基于模糊邏輯的MM算法，然后提出一種基于DR/GPS/MM組合定位系統(tǒng)的融合算法。

　　2.1 基于模糊邏輯的MM算法

　　基于模糊邏輯的MM算法主要分為兩步：（1）道路選擇；（2）坐標(biāo)投影。

　　MM系統(tǒng)的輸入包括DR系統(tǒng)輸出的坐標(biāo)（x，y）、方位角和里程數(shù)據(jù)。MM系統(tǒng)會(huì)根據(jù)規(guī)則來(lái)尋找有最大相似值的道路，然后投影當(dāng)前位置到所選的道路上去。在道路選擇階段有兩條規(guī)則。

　　道路選擇的第一條規(guī)則：假設(shè)車輛和道路之間的方位角差值在一定范圍內(nèi)，距離相似系數(shù)可以由模糊公式獲得：

　　在這里Ksd代表距離相似性，Ksa代表方位角相似性。

　　Ksd可以由函數(shù)fd獲得：

　　其中d是車輛到相關(guān)的道路之間的距離。

　　Ksa可以由函數(shù)fa獲得：

　　其中δγ是車輛與相關(guān)的道路之間的方位角的差值[6]。

　　道路選擇的第二個(gè)規(guī)則：如果在選擇的道路上連續(xù)幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)的相似度值都保持在高水平，那么就假設(shè)這輛車行駛在這條道路上。

　　當(dāng)車輛正在行駛的道路被選擇之后，接著進(jìn)行坐標(biāo)投影階段。在這一階段，當(dāng)前的顯示車輛位置的點(diǎn)將被投影到選擇的道路上[7]。

　　2.2 數(shù)據(jù)融合算法

　　MM系統(tǒng)投影車輛的位置坐標(biāo)到被選擇的道路上，然后將處理過的數(shù)據(jù)反饋給DR系統(tǒng)。同時(shí)，GPS信號(hào)通過另一個(gè)頻道傳播給DR。數(shù)據(jù)融合過程是在DR系統(tǒng)中進(jìn)行的。該算法包括兩個(gè)部分：（1）導(dǎo)航信息更新；（2）糾錯(cuò)和校準(zhǔn)。該過程如圖3所示。

　　MM數(shù)據(jù)在某些條件下是不可靠的：（1）車輛不是行駛在路上；（2）汽車定位到錯(cuò)誤的道路上去。這兩個(gè)條件可以由一個(gè)涉及DR的位置和預(yù)計(jì)位置的模糊函數(shù)來(lái)定義，同時(shí)方位的差異可以由式（7）描述。

　　如果Z大于0.7，則MM標(biāo)識(shí)就等于1，就認(rèn)為MM數(shù)據(jù)是可靠的，可以用于DR系統(tǒng)的糾錯(cuò)[8]。

　　2.3 DR誤差修正

　　2.3.1 方位角誤差修正

　　式（3）里提到，方位角誤差δγ(t)包含3個(gè)部分，分別是初始方位角誤差δγ0、轉(zhuǎn)換誤差missing image file以及噪聲誤差δg。

　　當(dāng)車輛改變行駛方向，從一條道路切換到另一條道路時(shí)，陀螺儀比例因子Kg可以被修正。

　　一輛車以角度θ1沿著道路AB行駛，然后改變角度為θ2切換到道路BC行駛。選擇道路切換前的一個(gè)投影P1以及道路切換后的一個(gè)投影P2。陀螺儀轉(zhuǎn)變的角度為。根據(jù)電子地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，這兩條道路的角度差值定義為。

　　修正后的陀螺儀比例因子可以由下式得出：

　　當(dāng)車輛行駛在一條直行道路上時(shí)，可以計(jì)算出δγ0的值。

　　如圖4所示，車輛從P0點(diǎn)行駛到P1點(diǎn)，DR系統(tǒng)的輸出為P2點(diǎn)，MM系統(tǒng)將P2糾正為P'2點(diǎn)，δγ0可以由公式（9）計(jì)算得出：

　　2.3.2 里程表比例因子修正

　　當(dāng)車輛行駛在直行道路上時(shí)，選擇由導(dǎo)航系統(tǒng)給出的K個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（xi，yi）以及經(jīng)過地圖匹配過后的K個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)。K0是初始里程表比例因子，修正后的里程表比例因子可以由下式計(jì)算得出：

3 仿真結(jié)果與分析

　　3.1 仿真結(jié)果

　　本文使用的仿真工具是MATLAB7.0，并根據(jù)仿真結(jié)果分析來(lái)驗(yàn)證上述算法。為方便起見，本文選擇直行路段進(jìn)行仿真，這里每隔0.5 s進(jìn)行一次定位，假設(shè)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)車輛速度和方位角都保持恒定，且各個(gè)時(shí)間段之間的車輛速度和方向角都不相同。

　　如圖5所示，考慮車輛行駛在直行路段，圖中間的豎線表示車輛行駛的道路，豎線上的圓點(diǎn)是車輛的真實(shí)定位點(diǎn)，正方形點(diǎn)是DR系統(tǒng)在沒有經(jīng)過參數(shù)修正前得到的定位點(diǎn)，而星點(diǎn)是DR系統(tǒng)經(jīng)過參數(shù)修正后得到的改進(jìn)后的定位點(diǎn)。

　　3.2 仿真分析

　　由圖5可以看出，經(jīng)過參數(shù)修正的DR系統(tǒng)得到的定位點(diǎn)相比未經(jīng)過參數(shù)修正的DR系統(tǒng)得到的定位點(diǎn)更加靠近車輛行駛的道路，行駛距離也更精確。這是由于本文提出的算法所具有的參數(shù)修正作用，可以通過修正陀螺儀比例因子與里程表比例因子，使得每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的車輛航向角和車輛行駛速度的誤差減小，更趨近于真實(shí)方位角和真實(shí)行駛速度，從而減小DR系統(tǒng)的定位誤差，提高車輛的定位精確度。同時(shí)，本文提出的算法還可以將參數(shù)修正后的DR系統(tǒng)得到的定位點(diǎn)投影到車輛行駛著的道路上，使得定位結(jié)果更加精確。

4 結(jié)論

　　本文提出一種基于DR/GPS/MM的組合定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合算法，此算法可以通過修正DR的參數(shù)來(lái)約束慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差。仿真結(jié)果表明，此算法可以有效地提升導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。

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