基于GNSS差分定位技術(shù)的車身三維模型定位算法

張 銳

(山西省自動化研究所，山西 太原 030012)

0 引言

GNSS系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)組合而成的多種模式、多種層面的系統(tǒng)。按定位的方式，GPS定位分為單點定位和相對定位[2](差分定位)。單點定位就是偽距觀測量來計算全局坐標的方法。民用領(lǐng)域的GPS精度一般在3 m～20 m，可滿足車輛定位導(dǎo)航的需求[3]。相對定位是根據(jù)多個GNSS接收機的數(shù)據(jù)來計算每個測量點相對位置的方法。大地測量以及工程測量都可以采用相對定位[4]，按照差分數(shù)據(jù)類型，可以分為偽距差分定位和相位差分定位，偽距差分定位精度在10 cm左右，而載波相位差分定位精度可達到1 cm。該種設(shè)計方案最大的優(yōu)勢就是定位精度高，能夠達到厘米級[5]的定位。

1 車輛壓線檢測算法

當今駕駛?cè)丝荚囅到y(tǒng)基本都為基于GNSS差分定位的高精度智能車載駕考評判系統(tǒng)。該系統(tǒng)車載部分一般采用“載波相位差分定位技術(shù)”來進行壓線檢測，靠邊停車的邊距計算以及車輛航向評判[1]。該種系統(tǒng)采用GNSS差分定位解算車輛各個參考點在考場內(nèi)的相對位置，評判軟件進行綜合判斷。

通常我們所用車輛壓線檢測是基于GNSS差分定位的智能駕考系統(tǒng)中的關(guān)鍵算法。測繪考試場地全貌并繪制場地GIS電子地圖。電子地圖主要的信息為科目二與科目三中的每個項目的區(qū)域坐標和區(qū)域編號。經(jīng)過車載GNSS定位系統(tǒng)采集分析得出車輛定位和定向數(shù)據(jù)，并且能夠讀取車輛俯仰、翻滾等姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用向量算法Pc=P+K*M推算出車身每個點的坐標。最后將車身32個點坐標放在GIS地圖中搜索匹配，判斷是否在項目區(qū)域中，就能夠自動地識別車輛與道路邊緣線等參照物的距離，可以判定車輪是否壓線、車身是否出線。圖1所示為考車倒車入庫壓線示意圖，比較直觀地顯示了考試車在倒車入庫項目中的位置和壓線的情況。

圖1 考車倒車入庫壓線示意圖

2 車身三維模型定位算法

GNSS差分定位基準站和移動站共同構(gòu)建成為了GPS差分定位系統(tǒng)。在駕校的場地范圍里搭建固定的GNSS差分定位基準站，通過電臺、無線通訊網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)傳輸方式主動發(fā)送差分改正信號，移動站即車載GNSS移動接收機實時進行動態(tài)接收差分信號數(shù)據(jù)包，然后進行解算出待測點的坐標值[6]。使用基于GNSS技術(shù)的高精度測量RTK(載波相位實時動態(tài)差分技術(shù))設(shè)備對之前已經(jīng)設(shè)定的32個車身的參考點進行測繪，圖2所示為車模型繪制示意圖，首先進行建立車身的模型，最后結(jié)合車身模型，并依據(jù)三維姿態(tài)解算算法能夠算出車身每個點精確的位置信息。

圖2 車模型繪制示意圖

如圖2所示，分別測繪出32個點在水平面上的垂直投影坐標以及后天線位置坐標，將后天線作為坐標的原點，建立車型模型幾何向量M，如下式所示，其中x值為東西向坐標值(向東為正)，y值為南北向坐標值(向北為正)，z軸為天向坐標值(天向為正)。

設(shè)實時車輛俯仰θ，車頭向上為正，φ為車輛的翻滾角，從車頭向車尾部方向看，逆時針轉(zhuǎn)動為正，車輛航向為Ψ，從正北方向順時針旋轉(zhuǎn)依次為0～359.9度，那么可以得出三維解算矩陣K。

車輛在運動的過程中采集后天線實時坐標為P，車輛模型上第n點向量Mn，

那么車身32個點的坐標向量矩陣Mc=P+K*M,車輛模型第n點的實時三維坐標為Pn=P+K*Mn。

車輛三維模型解算上的誤差主要受車輛航向的精度影響。因為考場地圖都使用的是平面地圖，所以定位三維坐標中，對評判結(jié)果有影響的只有是X軸和Y軸的坐標數(shù)據(jù)。設(shè)X軸、Y軸定位誤差分別是ΔX、ΔY。X軸、Y軸定位誤差對綜合誤差影響相似，因此只需對X軸或者Y軸進行誤差分析，就可以得出綜合結(jié)果，即

Xn=X+cosΨcosθXn+(cosΨsinθsinφ-sinΨcosφ)yn

-(cosΨsinθcosφ+sinΨsinφ)h

設(shè)后天線x坐標值的誤差為Δx，依據(jù)GNSS差分定位模塊的參數(shù)，Δx最大值一般是在±0.008(單位：米)，航向精度為0.2/R度(R為前天線到后天線的距離)，R的值越大，精度也就會越高，但受車身長度的限制，R的最大值約為2。以桑塔納為例，Xn=3.1，yn=0，h=1.5。為簡化誤差分析模型，我們在車輛的航向、俯仰、翻滾值都為0的狀態(tài)來進行分析。根據(jù)以上的分析可知，航向?qū)Χㄎ徽`差影響比較小，但俯仰值對定位精度的影響相對較大，翻滾和俯仰對定位誤差的影響相似。

3 總結(jié)和展望

本文討論了基于GNSS差分定位的兩種關(guān)鍵算法：車身三維模型定位算法與車輛壓線檢測算法；提出了車身三維模型定位的計算方法，分析了車身定位誤差?；贕NSS差分定位的高精度智能車載駕考評判系統(tǒng)的應(yīng)用使駕校的教學(xué)效率和服務(wù)質(zhì)量提升了檔次，增強了駕校的核心競爭力，促進了辦學(xué)的規(guī)范化和正規(guī)化，提升了學(xué)員的駕駛技能。

[1] 陳玉寶,安濤,胡姮.基于GNSS差分定位的天氣雷達坐標精確定位研究[J].氣象,2013(3):389-393.

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[5] 高為廣,樓益棟,劉楊,等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)差分增強技術(shù)發(fā)展研究[J].測繪科學(xué),2013(1):51-53.

[6] 劉玥.支持在航載波相位差分定位方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2013.