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GPS(全球定位系统)能够为全球范围内用户提供精确、连续的三维位置、速度和时间信息。然而GPS的精度、可靠性和可用性在一定程度上依赖于可跟踪卫星的数量及其空间几何分布情况。此外,在隧道、室内、地下停车场和地铁等卫星信号受阻的环境中,GPS也难以发挥作用。随着MEMS技术的发展,磁罗盘、加速度计、陀螺仪以及气压高度计等传感器的成本、尺寸、重量方面都有了很大的改观,这为PDR(Pedestrian Dead Reckoning,个人徒步航迹推算)系统的发展提供了机遇。PDR系统能够利用各种传感器计算出步行时的方向,以及在该方向上行进的距离,从而推算出各时刻行人的位置。它与GPS进行组合是解决徒步的个人所面临的上述问题的有效途径之一。与基于伪卫星或者是基于无线传感网络的室内外导航不同,PDR/GPS组合导航系统具有自主定位、随时随地定位的特点;而前者受信号所覆盖范围以及信号发射源是否有效的限制,只能用于局部地区定位,且属于被动定位,受到的限制较多。
本文围绕个人导航室内外无缝连接和盲区导航展开研究,重点研究了基于多传感器的PDR/GPS组合导航系统的理论与实现,并对PDR/GPS组合导航系统的定位性能进行了验证。本文分为七个章节,第一章为引言,对徒步个人导航技术的发展与应用进行了概述,介绍了现有的DR技术的基本原理与特点,讨论了PDR/GPS组合导航技术的发展趋势,并提出了徒步个人导航系统的方案。第二章为GPS/PDR组合导航系统的分析,介绍了GPS和DR系统的原理,从DR系统的原理着手剖析DR系统的低耗构成方案。分析了PDR系统步检测、航向角确定以及步长估计的方法。第三章为GPS/PDR组合导航系统的方案设计与分析,首先给出了GPS/PDR组合导航系统的设计方案,介绍了系统的总体架构和工作流程。然后对系统硬件的结构和功能进行了介绍,并给出了包括加速度计、陀螺仪以及磁力计在内的信号接收硬件的设计。最后对系统软件的结构和功能进行了介绍,给出了软件的处理流程。第四章为GPS/PDR组合导航系统的关键技术研究,对GPS/PDR组合导航的陀螺信号降噪处理、步长估计以及航向角确定三大关键技术进行了深入研究。首先深入分析了PDR系统中陀螺信号的噪声模型,并使用均值滤波和5层db4小波对陀螺信号进行了降噪处理;接着深入分析了步长估计算法,提出了基于步行频率和加速度方差的步长估计;最后介绍了使用磁阻传感器构建磁罗盘的原理,并给出了使用磁阻传感器和陀螺确定航向角的方法。第五章为GPS/PDR组合导航算法的设计与实现,首先介绍了PDR和GPS进行组合导航的原理。接着提出了基于HDOP和位置连续性的GPS粗差剔除方法,对GPS定位结果进行预处理。然后建立了PDR/GPS组合导航的卡尔曼滤波数学模型,实现了PDR/GPS个人组合导航。最后对PC端的PDR/GPS系统控制和定位结果显示软件进行了介绍,给出了系统最终定位结果的输出格式。第六章为GPS/PDR组合导航系统的性能测试与结果分析,首先介绍了实验所需的平台;接着对PDR系统步检测的准确性进行了测试;然后单独使用PDR系统在世博会的芬兰馆以及技物所的综合楼进行了定位测试,分析了定位结果;接下来使用PDR/GPS组合导航系统进行了GPS信号盲区测试以及个人导航的室内外无缝连接测试;最后对PDR/GPS组合导航系统的定位精度进行了测试和分析。第七章为结论与展望,总结了全文的工作,并对将来的研究工作进行了展望。
本论文的主要研究成果和创新点如下:
1.使用低成本的MEMS陀螺、磁力计、加速度计、气压高度计以及商用GPS模块设计并实现了GPS/PDR徒步个人组合导航系统,实现了室外无盲区导航以及室内外导航无缝连接,系统的定位误差控制在行进距离的2％左右。
2.与国外现有的其它PDR系统不同,该系统中使用了气压高度计,为系统提供相对高度的变化,从而解决GPS定位高程精度不够的问题,同时在GPS信号盲区也能获取较佳的相对高程信息,本文中PDR系统的高程相对定位误差在0.5米以内,能有效分辨个人所在楼层的变化。
3.陀螺信号中一般包含较大噪声,且在姿态求解过程中,陀螺信号中的误差由于积分的原因会随着时间积累,因此,对陀螺信号进行降噪处理对于提高系统的精度至关重要。针对这一问题本文提出了基于均值滤波和5层db4小波的陀螺信号降噪法。其中均值滤波能消除陀螺信号中变化缓慢的零偏,5层db4小波能有效减小陀螺信号中的高频噪声。
4.磁罗盘在确定航向角的过程中容易受到当地磁场干扰,针对这一问题,本文提出了基于磁罗盘航向角速率与陀螺角速率比对的磁扰动检测方法。该方法首先通过磁罗盘测量相邻时刻的航向角,计算磁罗盘的航向角速率,然后将计算所得的磁罗盘航向角速率与z轴陀螺的速率进行比较,当前者与后者之间的差异超过阈值时,认为所受磁扰超过门限,此时使用陀螺来确定航向角。通过使用该方法可以剔除磁扰动时磁罗盘所确定的、存在较大误差的航向角,有效提高了存在磁扰动时航向角的精度。
5.GPS的定位轨迹经常出现不够平滑的情况,相邻时刻间的定位结果可能相去甚远,针对这一问题,本文提出了基于HDOP和位置连续性检测的GPS粗差剔除法,通过GPS的粗差剔除能提高整个组合导航系统的定位精度。其中基于HDOP的GPS粗差剔除法如下:当可见卫星数越少,HDOP值越大时,GPS的水平定位精度越差;可见卫星数越多,HDOP值越小时,GPS的水平定位精度越高。通过判断可见卫星数和设置HDOP阈值对GPS定位结果进行刷选,可以去掉GPS定位结果中误差较大的值。基于位置连续性检测的GPS粗差剔除法如下:在GPS定位结果较为理想时,输出的位置应该是连续平滑的,位置点之间的距离理论上应该等于步行速率与GPS更新周期的乘积。可以设置相邻位置点间的间距门限,通过判断GPS位置点间的间距来检测GPS定位结果是否在可接受范围内。