干货:GPS导航中惯性导航的应用

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最近,小秀儿连同秀友科技的小伙伴们,个个都忙得昏天暗地,黑白颠倒,但是依然觉得很棒,俗话说得好:“现在何必贪睡,死后必定长眠!”

所以,还是赶紧吹起号角,努力学习和工作吧!

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今天,北京秀友科技有限公司的高级研发工程师王立勇为大家带来了一篇《GPS导航中惯性导航的应用》的科普文章,干货满满,希望能帮到对此感兴趣的客户和朋友。

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GPS导航中惯性导航的应用

一、什么是惯性导航

惯性导航(inertial navigation)是一种通过测量飞行器的加速度,并自动进行积分运算,获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在运载体内,工作时不依赖外界信息,也不向外界辐射能量,不易受到干扰,是一种自主式导航系统。

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美军所谓的新一代导航系统,其实质是一种基于现代原子物理最新技术成就的微型惯性导航系统。

惯性导航系统是人类最早发明的导航系统之一。早在1942年德国在V-2火箭上就首先应用了惯性导航技术。而美国国防部高级研究计划局新一代导航系统主要通过集成在微型芯片上的原子陀螺仪、加速器和原子钟精确测量载体平台相对惯性空间的角速率和加速度信息,利用牛顿运动定律自动计算出载体平台的瞬时速度、位置信息并为载体提供精确的授时服务。

有资料显示,2003年美国国防部就斥资千万开始对原子惯性导航技术的研制。该技术一旦研制成功,将会使惯性导航达到前所未有的精度。具体来说,将会比目前最精准的军用惯性导航的精度还要高出100到1000倍,而这将会对军用定位、导航领域带来革命性影响。

由于该导航系统具有体积小、成本低、精度高、不依赖外界信息、不向外界辐射能量、抗干扰能力极强、隐蔽性好等特点,很有可能成为GPS技术的替代者。

二、惯性导航应用

惯性测量装置,包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。前者是测量物体的加速度,后者又被叫做角速度传感器,是测量角速度的。利用这些装置的参数,计算并导航看起来似乎很简单,但是由于采样频率一般很高(一秒内几十甚至几百次),所以累加起来误差很容易扩大,所以长时间的导航仍然有很大的困难。

但是在一定的前提下,短时间内的使用还是可行的。

日常手机导航中,常常会出现隧道、高架、密林小路、高楼窄道等地段,导航突然不动了,直到车开到开阔地带,导航中的车位图标才突然跳过去,体验非常的不好。

在失去位置的时候,导航软件知道速度、车辆的位置、行驶路线等信息。结合加速度传感器提供的加速度,可以根据二次积分的方式计算出加速度产生的位移,然后根据初始速度计算出速度产生的位移,进而推算出车辆最新的位置。这样,在没有GPS的情况下仍然可以继续导航了。

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三、GPS导航

GPS导航,是根据GPS提供的位置信息,以及导航前规划的线路,指引用户行驶的一个系统。

我们知道,GPS是通过接收卫星发送的信号计算出自身位置的,当手机等GPS设备上方被遮挡后,GPS设备就无法定位了。

遮挡可能是多种情况,比如车顶、高架桥、房屋、隧道等。这时候可以通过速度、时间、距离的关系,根据最后一次GPS信号计算的速度,来推测可能的位置。

如果在隧道内、高架桥梁下等地段没有改变车辆的速度,这个方法可能很好的实现导航。但是如果减速了,就会出现地图上的车位很快的跑到了隧道终点,然后停下来等着。反之,如果加速了,就会出现车位走了一半,然后突然跳出隧道。

要解决这两种情况,就需要下面的所要介绍的加速度传感器装置。有了加速度,就能更好的推测当前的速度,从而解决上述问题。

四、加速度传感器

加速度传感器是一种能够测量加速力,将加速度转换为电信号的电子设备。它是利用牛顿第二定律A=F/M,通过作用力造成传感器内部敏感部件发生变形,通过测量其变形并用相关电路转化为电压输出,得到相应的加速度信号。

手机加速度计算距离。加速度是一个对象速度的变化速率。速度是一个对象位置的变化速率。

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利用积分的概念,上图(源自网络)中曲线下面的区域,我们能得到一个结论:对一个信号采样,如果能够得到该信号大小的瞬时值,就能够在两次采样之间得到一个小的区域。采样时间相同(区域的宽)相同,再得到了采样的值(区域高度),我们可以通过下面的方法计算面积之和。但是能够看到,存在误差。

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这些误差我们称为采样损失,为了减少这样的错误,我们需要再次积分:区域2是一个三角形,是计算面积的一半。则总和为如下公式。

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这样的错误比以前的小很多了。

加速度有正有负,我们的采样需要有一个标准值做参考,校准值是在没有移动的情况下测量的加速度值。实际应用中需要考虑的有:

信号存在一定的噪声,所以必须数字滤波。比如可以采用移动平均算法,要处理的值是一定数量采样值的平均结果。

即使过滤过的数据,仍然可能存在错误,所以必须实现另外一个滤波器,过滤明显有问题的数据。

必须要有校验值。它的计算对整体效果至关重要。

加速度有正有负,不能忽略正负符号。

采样频率越快,结果越精确,但是需要考虑耗电、时间、内存方面的限制。

采样的时间间隔必须相同。

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