定位导航技术

关键词： 定位导航 定位 无线 技术

定位导航技术（精选十篇）

定位导航技术 篇1

此研究报告刊登于《农业工程学报》2011年第3期，题为“基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法”，第一作者为中国农业大学“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室的硕士研究生陈艳。通信作者为张漫副教授，该研究为国家自然科学基金项目和国家“863”计划项目。

定位精度直接影响农业机械进行路径自动跟踪的质量。全球卫星定位系统(GPS)和机器视觉是自动导航系统中使用较多的两类传感器，农田中作物收割与未收割的边界有时并非直线，单独使用GPS进行导航，在确定导航基准线方面存在一定的误差;使用机器视觉进行此类作业，可以实时提取出当前作物行的特征信息，提高了定位的精度，但是单独使用机器视觉时，在图像处理过程中有时会出现漏检的情况;为了弥补单一传感器的不足，常采用多传感器组合进行导航定位。对多传感器信息进行融合时，常采用Kalman滤波算法，该方法可对研究对象过去、现在和将来的状态做出线性最优估计，比较适合动态环境中传感器信息的实时融合;但是Kalman滤波器是一种线性滤波器，对农业机械导航的非线性系统无法得到满意的效果;而UKF方法是根据Unscented变化 (无迹变换) 和卡尔曼滤波相结合得到的一种算法，该方法是对非线性函数的概率密度分布进行近似，用一系列确定样本来逼近状态的后验概率密度，UKF没有线性化忽略高阶项，因此非线性分布统计量的计算精度较高。

为了更好的改善农业机械的导航定位效果，研究者将GPS和摄像机两种传感器结合起来，并采用UKF滤波算法对采集到的信息进行融合。

该研究构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中，采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度;机器视觉通过图像处理获取导航基准线，并得到代表作物行特征的点;UKF滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波，并以电瓶车为平台，对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明，使用UKF滤波后的定位精度得到了改善，减少了定位数据的标准偏差，免了视觉信息丢失时导航无法进行的情况，提高了系统的稳定性。

导航定位望北斗 篇2

导航定位望北斗

4月15日,我国的`长征三号丙运载火箭推举着北斗卫星导航系统第二颗卫星从西昌卫星发射中心腾空而起,约26分钟后实现星箭分离,卫星被送入近点约200公里、远地点约3.6万公里、倾角20.5度的预定的地球同步转移轨道,标志着发射取得圆满成功.

对导航定位技术手段的反思 篇3

船舶驾驶人员，事先没有消除和测定罗经（电罗经、磁罗经）自差和计程仪改正率，确保船舶主要航海仪器的正常工作。出航后也没有利用天然或人工叠标以及天测手段测定罗经差（青岛港内外是有很多天然叠标可供测定罗经差）。由于罗经和计程仪存在着较大的误差，而我们的航海人员又不掌握，从而导致产生很大的推算误差。

过去，我们平时每隔半年到一年就要消除和测定一次罗经自差和计程仪改正率，执行重大或远航任务时，出航前还会安排检验性的补充测定。出港后还要利用叠标测定罗经误差；航行中每一个航向都要比对电、磁罗经，并登记在小黑板上（操舵部位专门配有小黑板）；远离海岸航行时，早晚还要天测罗经差。

另外，执行重大或远航任务的迎来送往，这也是常有的事，这时就要分清主次，明确分工。作为我们航海人员来说，主要的精力和时间要放在熟悉航线和收集有关资料上。过去远离海岸航行时，没有卫导，连老兰A也没有，主要就是推算和天文定位。出航前，我们往往把潮流图、海图和有关资料中流的数据进行分析比较，计算出沿线附近实时的流向、流速，用于准确推算。当白天测不到金星或月亮时，就测太阳单线：天体在航线左右时，可分析舰位偏左还是偏右；天体在航线前后方时，可分析船位是超前还是落后。

现在，导航定位技术手段越来越先进，诸如触礁、搁浅这样的航海事故越来越少（但远没有杜绝），我们的很多航海工作人员满足于卫导船位在海图上的圈圈点点，对罗经和计程仪等仪器的误差测定就不太重视了，天文定位也很少搞了，推算船位基本绝迹。任何一种现代化定位手段或者导航仪器，都离不开对电的依赖，也都会存在一定的系统误差和偶然误差。而磁罗经和天文定位，虽然原始和误差较大，但比较可靠。推算船位虽然不如陆标定位和卫导船位精确，但可以及时发现粗差，所以不久前，我还建议部队的航海人员，每测一个舰位均应有相应的推算舰位。

所以，我们现在研讨“跃进”号沉没，更应该吸取航海实践上的教训，即使当今导航定位技术手段越来越先进、导航仪器越来越精确，我们的航海人员也要确保航海仪器的正常工作，始终掌握其准确的误差；苦练航海基本功（推算、天测），确保在各种情况下有准确的船位，不使国家财产和人员生命受损失。

“跃进”号沉没事件后，国防科委投入了人力、物力和财力开始在中国沿海布局劳兰A基站、随着航海科技的进步发展到更精确的沿海定位系统劳兰C。再后来中国自己设计制造了电子管的雷达，航海终于有了基本的保障。但远远跟不上世界航海导航仪器的发展步伐。

改革开放后，中国航海事业才得到了长足发展，成为了造船大国和航海大国。从“跃进”号沉没联想到我们正在建设航海强国，需要几代人的努力。相信航海强国的“中国梦”会随着“北斗”导航卫星的完善，渐入佳境。

定位导航技术 篇4

随着“无线城市”的不断推进, Wi Fi技术在我们生活中的应用越来越广泛。与此同时, 定位市场的服务需求与日俱增, 如重要设备监控、重症病人监护、实时定位查询等。目前, 我们在生活中接触到多的是GPS卫星定位, 但是GPS定位需要在相对空旷, 建筑物不密集, 阻碍物较少的地方才能实现精确定位, 如果在室内使用, 存在着定位精确度低、耗电量大等缺点。因此, 利用广泛分布、接入成本低的Wi Fi技术实现对室内或者楼群密集处的目标进行定位可以扩大定位服务的应用范围, 具有积极的社会意义。

Wi Fi最早并不是为定位技术设定的, 然而热点 (AP) 或基站定期发送的信号中所含的接收信号强度 (RSS) 为终端的定位提供了可能。目前, 绝大多数基于Wi Fi的定位系统都使用RSS技术来实现位置指纹识别。与现行的定位技术如GPS、蜂窝定位、无迹推算等相比, Wi Fi定位具有如下优势:

1) 热点分布广, Wi Fi热点可以分布在室内、室外各种环境中, 为各个场合的定位提供了可能。

2) 接入门槛低, Wi Fi定位构建在现有的Wi Fi网络之上, 无需进行网络的改建或者扩建, 降低了使用成本。

3) 灵活性较高, Wi Fi信号受非视距 (NLOS) 影响小[1], 即使在密集的城市地带和室内环境中都可以使用。

2 Wi Fi定位原理

总所周知, 热点的位置通常是固定不变的, 只要通电, 都会向周围发射信号, 该信号中包含全球唯一的ID—MAC地址。Wi Fi定位的主要原理是, 通过侦测附近周围所有的AP的MAC地址, 发送到相关位置服务器上, 服务器通过MAC地址的座标, 计算出所在地。这样, 客户端只需要侦听周围有哪些AP, 检测每个AP信号的强弱, 发送给定位服务器, 服务器根据这些信息, 查询每个AP在数据库中记录的坐标, 通过计算, 就能得出客户端的具体位置。当然, 如果客户端侦听到的AP信号越多, 定位就会越精确。

3 三边定位算法

所谓三边定位算法, 就是指以三个AP为圆心, 以AP到待测终端的距离为半径做圆, 得到三个圆的焦点, 建立方程求解出距离。该算法在实现的时候可以分为两个阶段:测距和定位[1]。

3.1 测距阶段

假设有三个已知位置AP的坐标分别为A (x1, y1) , B (x2, y2) , C (x3, y3) , 由于无线信号在传输的过程中会产生一定的损耗, 根据传输损耗模型, 求解出待测点D到每个AP的距离, 记为d1, d2, d3。

其中, 传输损耗模型的公式为:

其中, d代表AP和未知位置之间的距离;ε代表非自由空间的损耗系数;K是常数, 公式表示为:

3.2 定位阶段

假设待测点坐标为D (x, y) , 在测距阶段计算出待测点到每个AP的距离, 分别以三个AP为圆心, 以待测点到3个AP的距离为半径做圆, D的位置可能存在以下三种情况。

若三圆相交存在唯一交点, 则通过以下公式, 即可求解出D的坐标。

三边定位算法在理论上是可行的, 但是在实际应用中, 由于测距存在误差, 很难建立精准的、适合于实际情况的损耗模型, 三圆交于唯一一点的情况很难存在, 如图 (3) 、 (4) 。因此, 基于三边定位的算法在具体实施过程中存在很大问题。

4 基于质心算法的三边定位算法

质心定位算法 (centroid localization algorithm) 是一种基于网络连通性的算法, 在运用该算法时, 需要事先在相关区域内放置一定数量, 并且已经进行定位的参考节点, 如RFID标签。这些参考节点周期性的发出自身的标识和位置信息, 未知节点D通过记录参考节点传输的信息, 判断该参考节点是否处于自己的通信范围内。D将所有在其通信范围内的节点组成多边形, 估算自身的位置[2]。如图5。

若未知节点通信范围内的一组参考节点坐标分别为P1 (X1, Y1) , P2 (X2, Y2) , ……, Pn (Xn, Yn) , 则D的估计位置使用下面的公式来进行计算:

质心定位算法比较简单, 运算的复杂度较低, 但是存在一些问题, 比如说:如果要实现高精度定位, 需要参考节点的密度大, 分布均匀性高。

将质心定位算法引入到三边定位算法中, 可以提高对D定位的准确度。首先可以根据方程 (3) 、 (4) 、 (5) 求解出圆A和圆B的交点, 记为 (xab1, yab1) , (xab2, yab2) ;圆A与圆C的交点, 记为 (xac1, yac1) , (xab2, yab2) ;

圆B和圆C的交点, 记为 (xbc1, ybc1) , (xbc2, ybc2) 。然后将 (xac1, yac1) , (xab2, yab2) f分别代入方程:

找出两点中距离圆心B比较近的点, 记为 (xac, yac) , 同理, 找出圆B, 圆C交点中距离圆A较近的点, 记为 (xbc, ybc) , 圆A, 圆B交点中距离圆C圆心比较近的点, 记为 (xab, yab) 。最后通过如下公式近似计算出D点的坐标:

5 总结

本文通过分析三边定位和质心定位算法的利弊, 提出了一种将三边定位和质心定位算法结合起来, 提高Wi Fi定位准确度的方法。该文中所提出出改进方法对于硬件环境要求较高, 需要参考节点进行均匀分布, 且参考节点位于未知节点的外侧, 具有一定的局限性。在后续工作中将会对其进行进一步研究, 使算法具有更广的应用性。

摘要：该文主要针对WiFi定位的实现, 提出了一种将质心定位和三边定位相结合, 提高WiFi定位精确度的方法。该方法将参考节点均匀分布的质心定位思想引入到三边定位中, 弥补了单一的三边定位精度不高的缺陷。

关键词：WiFi,质心定位,三边定位

参考文献

[1]卢恒惠, 刘兴川, 张超, 等.基于三角形与位置指纹识别算法的WiFi定位比较[J].移动通信, 2010:72.

[2]高雷, 郑相全, 张鸿.无线传感网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法[J].重庆工学院学报, 2009, 23 (7) :139-141.

船舶动力定位技术简述 篇5

1.1 国外动力定位技术发展

目前，国际上主要的动力定位系统制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。

下面分别介绍动力定位系统各个关键组成部分的技术发展现状。

1．动力定位控制系统

1)测量系统

测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和传感器。国内外动力定位控制系统生产厂家均根据船舶的作业使命选择国内外各专业厂家的产品。位置参考系统主要采用DGPS，水声位置参考系统主要选择超短基线或长基线声呐，微波位置参考系统可选择Artemis Mk 4，张紧索位置参考系统可选择LTW Mk，激光位置参考系统可选择Fanbeam Mk 4，雷达位置参考系统可选择RADius 500X。罗经、风传感器、运动参考单元等同样选择各专业生产厂家的产品。

2)控制技术

20世纪60年代出现了第一代动力定位产品，该产品采用经典控制理论来设计控制器，通常采用常规的PID控制规律，同时为了避免响应高频运动，采用滤波器剔除偏差信号中的高频成分。

20世纪70年代中叶，Balchen等提出了一种以现代控制理论为基础的控制技术-最优控制和卡尔曼滤波理论相结合的动力定位控制方法，即产生了第二代也是应用比较广泛的动力定位系统。

近年来出现的第三代动力定位系统采用了智能控制理论和方法，使动力定位控制进一步向智能化的方向发展。智能控制方法主要体现在鲁棒控制、模糊控制、非线性模型预测控制等方面。

2001 年 5 月份，挪威著名的 Kongsberg Simrad 公司首次展出了一项的新产品—绿色动力定位系统（Green DP），将非线性模型预测控制技术成功地引入到动力定位系统中。Green DP 控制器由两部分组成：环境补偿器和模型预测控制器。环境补偿器的设计是为了提供一个缓慢变化的推力指令来补偿一般的环境作用力；模型预测控制器是通过不断求解一个精确的船舶非线性动态数学模型，用以预测船舶的预期行为。模型预测控制算法的计算比一般用于动力定位传统的控制器设计更加复杂且更为耗时，主要有三个步骤：1.从非线性船舶模型预测运动；2.寻找阶跃响应曲线；3.求解最佳推力。控制器结构如图所示[1]：

图1.1Green-DP总体控制图

荷兰的Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推进器和动力定位的研究计划，并开展了动力定位的模型实验，内容包括：①推进器和推进器之间的相互作用；②推进器和船体之间的相互作用；③环境力和船舶的低频运动。研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM，包括模拟实验的程序DPCON和理论模型计算的程序DPSIM。初步进行了流力、风力、二阶波浪漂移力、推进器力的计算，控制系统采用经典的PID控制算法[2]和扩展卡尔曼滤波算法，风力采用前馈的形式。同时，Marin还开展了下述工作：动力定位系统和系泊系统联合使用的情况；扩展了动力定位系统在航迹控制方面的应用，航迹控制功能现已成为动力定位控制系统的基本要求；动力定位设计阶段的性能评估、功率需求估算。一般认为，Marin在动力定位系统实验研究方面已走在世界前沿。

挪威在20世纪90年代做过动力定位方面的实验，他们将重点放在控制理论和控制方法上面，在满足李雅普诺夫大范围渐进稳定的基础上，应用现代控制理论的方法，采取状态反馈和输出反馈两种形式，设计不同的状态观测器，观测速度和干扰，并以此代替卡尔曼滤波，在比例为1：70的船模实验中证实定位的效果。

由于系统模型的不精确性，以及所受环境力的扰动性对船舶动力定位系统稳定性有很大的影响，因此在解决稳定性方面存在优势的H∞控制理论和鲁棒控制越来越受到了人们的关注。日本的九州(Kyushu)大学还在1：100的船模实验中验证了控制结果的有效性。

目前，国际上应用得较为成熟的动力定位控制系统一般都采用第二代控制方法，而基于第三代控制方法(如自适应模糊控制、自学习模糊控制等)及实时测量和计算二阶波浪慢漂力以提升更高精度的动力定位系统研制是一种趋势，世界各国都正在加紧研制中。

在国外，有些大学以船舶运动为对象进行深入的控制理论研究。如麻省理工学院的Triantafyllou和Hover所研究的船舶运动控制，加州大学的Girard、Hedrick等研究的协调动力定位理论和实验等。由美国海洋学会组织的国际动力定位年会，近年来发表的文章主要从技术层面出发，研究动力定位系统的设计与改进。2006年，挪威Kongsberg公司的Jens-sen发表的“基于模型的流估计”和“基于能量最优的推力使用”、日本Akishima发表的“深海钻井船‘CHIKYU’的动力定位系系统”、美国Prasad、Elgamiel发表的“半潜式平台模型实验”、挪威Kongsberg公司的Halyard发表的“综合控制系统的改进方法”，都对各自动力定位控制系统的研究进行了论述。

挪威科学与技术大学与挪威的Kongsberg公司具有密切的联系，每年都有博士生作相关方面的理论研究|，每年都邀请Kongsberg公司的相关技术人员给学生讲授动力定位方面的最新进展。2008年，Kongsberg公司的Lokling Oyvind在“动力定位和导航系统的产品和开发”一文中提到了动力定位系统的要求及未来的挑战。其认为未来的挑战有：在模型预测方面，主要涉及速度、铺管力、起重力、一些未知力的干扰预测等；在控制系统方面，主要在于危险作业要求的高精度六自度定位，以及能量消耗和推进器的损耗，推进器方面的推进器布置、推进器的限制及影响，推力分配中的推进器响应时间、推进器组的顺序控制等。

由于网络的发展，主要以动力定位为主的舰桥集成控制系统的研制也是船舶操纵的发展趋势。

2．推进系统

用于动力定位船舶的推进系统，除常规的主推进器和舵外，还有舵桨推进器、槽道推进器、喷水推进器、全回转推进器等。

国外生产动力定位全回转推进系统的厂家主要有英国的Rolls-Royce、荷兰的Wgrtsilg、德国的Schottel和日本的川崎。其中，Roils-Royce是国际上最大全回转推进器的生产厂家，全回转推进器的功率从900kW到5000kW，可安装在各种船型上；Wartsila、Schottel和川崎也是全回转推进器的主要生产厂家，电力驱动可达7000kW，可安装在各种船型上。

3．动力系统

现代船舶自动化程度越来越高，各类达到24h无人机舱要求的船舶基本都采用了船舶电站功率管理系统。船舶电站功率管理系统基本可分为基于主配电板为平台和基于机舱监控系统为平台两种模式。以机舱监控系统为平台的典型代表是Kongsberg公司的DC-C20型机舱监控系统中的功率管理系统。1.1.1 Kongsberg公司动力定位技术的发展

挪威对于动力定位技术的探索始于1975年Kongsberg Vapenfabrikk(KV)公司的一个称为Dynapos的工程师小组，此小组原属于国防部门，之后很快转到石油部门，即隶属于KV的近海分部。

30多年的今天，Kongsberg公司已经成为世界最大的动力定位系统制造厂商。Kongsberg动力定位系统主要分为以下两类[3]：

（1）早年采用KV技术的Kongsberg500原型系统，即KS500.在20世纪70年代早期，系统计算机是由Forsvarets Forskning 和KV研制，是基于晶体管逻辑技术的。

（2）几年后出现了基于单片机系统的单一插件计算机（SBC）新技术，Kongsberg Simrad 利用Intel80186、80286和80386等处理器分别开发了SBC1000、SBC2000和SBC3000、BC3003。SBC1000的原型机是世界上第一台使用Intel80186微处理器的计算机。

Kongsberg 公司在1500个动力定位系统开发经验的基础上，研制出了Kongsberg K-pos系统，如图所示。

图1.2 Kongsberg K-Pos 动力定位操作站

其将动力定位系统的鲁棒性、灵活性、功能性与操作的简易性上升到了一个新的水平。Kongsberg K-Pos包括了国际海事组织所规定的所有等级的动力定位系统，以满足不同的经济需求和操作需求。为位置参考系统等传感器提供了广泛的接口，使整个系统具有透明性和交互性。除了拥有种类繁多的标准模式和功能，Kongsberg K-pos还有一系列的定制功能来辅助某些特定的操作。该系统有一个开发的系统结构，因而具有良好的结合性。

它能够实现船舶位置和航向的高精度保持。在操作中，系统可以容忍推进器和测量系统的瞬态误差。其适应性扩展卡尔曼滤波器可以估计船舶的航向、位置和速度，以及来自于海流和海浪的干扰。估计器使用船舶的精确数学模型。卡尔曼滤波技术使用模型预测和实时测量，为其提供了良好的滤波质量、鲁棒性和位置保持特性。

Kongsberg K-pos系统的基本配置如下。

（1）SDP11（基本系统）和SDP12（集成系统）

图1.3 SDP11(基本系统)示意图

图1.4 SDP12（集成系统）示意图（2）SDP21（基本系统）和SDP22（集成系统）

图1.5 SDP21（基本系统）示意图

图1.6 SDP22（集成系统）示意图

（3）SDP31（基本系统）和SDP32（集成系统）

图1.7 SDP31（基本系统）示意图

图1.8 SDP32（集成系统）示意图

图1.9 L3公司的NMS6000

图1.10 Kongsberg公司动力定位系统的发展

1.2 国外动力定位系统的应用

船舶动力定位系统最初的应用开始于60 年代[4]，第一批装有动力定位系统的船舶的排水量仅为450-1000t。这些船舶用于钻探、敷设电缆或对水下作业进行水面支援。第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号。1961年，美国壳牌石油公司的钻井船Eureka号完成下水，很快自动控制推进器的设备就进行了装船，它是由HowardShatto设计完成的。这艘船配备了一套最基本类型的模拟式控制系统，并和外部的一个张紧索参考系统相连。除了主推进器外，还在船头和船尾加装了易于操纵的推进器，船长为40 m，排水量为4.5×105 kg。动力定位系统对船体的尺寸和形状并没有影响，最显著的标志是它装有多台推力器。在世界上早期的动力定位船舶中，最成功也最出名的是“格洛马挑战者”号。该船几乎遍游地球的每一个海洋，收集水深大于600m 处的岩心，为地质学上的发现尤其是为板壳结构理论提供了大量有利的证据。

第二代动力定位船舶中，每艘船舶都有其独到之处，但是都采用几乎相同的传感元件和数字计算机控制系统，一般都采用计算机组成的数字控制器，而位置传感器由单一型发展成综合型，在一个系统中可同时采用声学、张紧索和竖管角三种位置基准传感器。最具有代表性的第二代动力定位船舶是“SEDC0445”号，该船于1971 年投入营运，其动力定位系统与早期系统相比，主要特点是采用数字式控制器，包括一台16 位的小型计算机，系统的各个原件都有冗余，可长期不间断的运行，系统在设计时要求能连续作业50d。“SEDC0445”号也装有多台推力装置，包括11只辅助推进器和2只主螺旋桨。

自80 年代初开始形成的第三代动力定位系统，主要采用当时刚开始发展的微处理机技术和Mutibus、Vme 多总线标准等。其中典型的有Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP 4000系列，L3公司的NMS6000系列。这些动力定位系统均具有开放性的结构，能够实现船舶位置和航向的高精度保持，广泛用于风力发电安装船、溢油回收船、平台供应船、铺管船、辅缆船、挖泥船、打桩船、半潜运输船、钻井平台、打捞船、起重船、无限区化学品船、LNG船等船舶和海洋工程领域。目前最先进的DP可以在2级流、6级风的海况下实现0.35 m的位置定位精度，0.1°的艏向保持精度和1 m的航迹保持精度[5]。

第四代船舶动力定位系统中典型的有美国NAUTRONlx公司的ASK400O系列、挪威的ADP700系列、法国的DPS90O系列等动力定位控制台，这些系统均采用高性能的微处理机、图形发生器、高速数据通道作为系统的控制核心，传感器也从模拟传感器逐渐变成数字传感器。

船舶定位控制是在不断壮大的石油和天然气勘探作业以及舰船作业需要的背景下于20世纪60年代初期产生，目前己经迅速发展为一项高新而成熟的技术。1980年，具有动力定位能力的船舶数量为65艘，到1985年增长到150艘，到2002年其数量超过了1000艘，目前全世界已有2000多艘具有动力定位能力的船舶。动力定位技术在军事和海洋工程领域得到了广泛应用。1.3 国内动力定位技术的发展

国内自七十年代末开始研究动力定位技术，目前，大多数研究单位尚处于理论研究或实验研究阶段。哈尔滨工程大学的边信黔教授首先开展了船舶动力定位这一课题的立项研究，作为领航者，在国内最早提出了要进行动力定位技术的研究工作。

（1）其课题组于1996年首次完成了国内第一套装备实船的水下动力定位系统。该系统已运行在我国的深潜救生艇上；

（2）该课题组于1997年又完成了国内第一套装备水面船舶的动力定位系统,该系统己运行在某试验场区的ROV工作母船上，这些研究成果使得动力定位技术从理论研究走向了实用[6]。

（3）在此之后，作者所在的课题组又结合深潜救生的需要，于2000年开发完成了水下六自由度动力定位技术，解决了在混浊海水、且有较大海流的条件下,进行有倾斜的对口救生的难题，使我国水下动力定位技术达到国际先进水平。

（4）2001年，该课题组已将动力定位技术推向海洋石油行业，为胜利油田研制用于海底管线检测和维修装置的动力定位系统[7]，提出基于多处理机的系统设计方案合理、并行度高、实时性好、可靠性高，可以很好地完成复杂船舶动力定位系统所要求的实时信息采集、数据处理、控制计算、推力分配、能源管理等任务[8]。

（5）2003年，边信黔教授课题组对松散耦合的船舶动力定位系统分布式体系结构,提出了一种基于改进的二值PMC模型的分布式系统级故障诊断算法。采用自诊断与互诊断相结合的方法,给出了分布式诊断算法、图论模型、诊断内容及算法中使用的报文种类、故障向量[9]。

（6）2006年，研究了模型预测控制在船舶动力定位系统约束控制中的应用，建立了 3 自由度动力定位船舶的数学模型，提出了船舶动力定位系统设计中应考虑的各种约束[10]。

（7）2009年，其课题组针对船舶在海上的定位和作业受到海洋环境的扰动力影响，其动力定位控制具有很强的非线性特性。基于自抗扰控制技术，设计了船舶动力定位控制器。该控制器通过非线性观测器估计出船舶运动速度和系统的总扰动，并采用非线性反馈进行补偿，实现对船舶的动力定位控制I 通过仿真实验验证了控制器具有很强的抗干扰能力和鲁棒性[11]。

（8）之后，其课题组针对起重船的作业特点，在起重船动力定位控制器的设计中引入了先进的模型预测控制技术，提高了其起重船的作业效率[12]。

（9）2011年，针对传统同步构图定位（SLAM）传感器具有数据量大、处理速度慢、实时性差的不足和基于扩展卡尔曼滤波的同步构图定位（EKF-SLAM）具有对水下无人航行器（UUV）位置估计精度低、甚至发散的缺陷，提出了基于多元测距声呐（MRS）的水下无人航行器（UUV）结构环境SFEKF-SLAM（Suboptimal fading extended Kalman filter-SLAM）方法，相对于常用的基于 EKF-SLAM 的 UUV 导航系统具有更高的定位精度，能够构建更加精确的港口堤岸地图[13]。（10）2012年，就移动机器人同步定位与地图构建展开研究，针对FastSLAM算法产生的粒子退化及粒子集重采样问题，提出了基于自适应重采样的FastSLAM算法。基于自适应重采样FastSLAM重采样效率更高，鲁棒性更好，在机器人路径和陆标位置的估计上也具有更高的精度[14]。

（11）2012年，针对移动机器人同步定位与地图构建存在的计算量大、数值不稳定等问题，结合容积卡尔曼滤波（cubature Kalman filter，CKF）原理，设计了一种基于平方根 CKF(squareroot cubature Kalman filter，SRCKF）的SLAM算法RCKF-SLAM）。SRCKF-SLAM 算法通过移动机器人运动模型和观测模型进行预测和观测，并以目标状态均值和协方差的平方根进行迭代更新，确保了协方差矩阵的对称性和半正定性，改进了数值精度和稳定性[15]。

此外，上海交通大学海洋工程实验室曾开发过控制系统，并完成了模型试验的调试和验证，目前正准备结合工程实际进行更加深入的研究，李和贵教授采用模糊控制对动力定位进行了仿真研究。哈工大将模糊控制技术应用到船舶的艏向寻优和控制器的设计中，并对此进行了仿真模拟，结果良好，但模糊控制技术在动力定位的实用中仍需更深的研究。

1.4 国内动力定位系统的应用

1998年我国首套动力定位系统在哈尔滨工程大学研制成功,但未见产业化。哈尔滨工程大学也自主开发出控制系统，其研制的 DK-1 型动力定位系统已经具备了在小型船舶上应用的经验。

2009年8月报导,上海708研究所在此领域成功研发出有自主知识产权的我国动力定位系统,已经达到了DP3的水平,中海油第一艘海上石油平台于2010年下水。

知名的造船企业，如上海外高桥造船有限公司、广州江南造船厂等也都投身到动力定位产品的研发中。2011 年 4 月，有着亚洲动力定位第一吊的“威力”号 3000 吨自航起重船正式交付使用，该起重船能够在锚泊无法定位的复杂海域实现良好的定位作业，填补了我国大深度水下打捞救援的短缺。

2012 年 5月，国内自主详细设计和建造的 3000m 深水铺管起重船“海洋石油 201”开始在南海作业，该船的动力定位系统采用了当前最先进的第三代 DP-3 级动力定位系统，推进系统配置了全电力推进的 7 个推进器，其在作业时的精确位置通过卫星定位技术得到了保证，可以完成 3000m 水深的铺管作业任务，与之前服役第六代深水半潜式钻井平台的“海洋石油 981” 形成了完美的结合。

动力定位产品进口价格高：50万欧元/每套，动力定位的需求增长快速。市场需求大；国际上每年以2000台套增长,国内每年需要200-300套,约人民币10-15亿元。国内研究与国际差距较大，尚未见产业化。为打破国外技术垄断,填补国内空白，节省大量外汇,船舶动力定位系统的开发、推广并进行产业化迫在眉睫。

参考文献：

[1] 王亮.深海半潜式钻井平台动力动力定位能力分析[D].上海交通大学硕士学位论文，2010：7-8页

[2] 余培文,陈辉,刘芙蓉.船舶动力定位系统控制技术的发展与展望[J].中国水运，2009,2 [3] 边信黔,付明玉,王元惠.船舶动力定位[M].科学出版社，北京.2011：1-30页

[4] 郑荣才,宋健力,黎琼,吴园园,窦玉宝.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报，2013,8 [5] 郑荣才,宋健力，黎琼,吴园园,窦玉宝.船舶动力定位系统[J].中国惯性技术学报，2013,8 [6] 严浙平,边信黔,施小城.ROV工作母船动力定位系统仿真和辨识[J].黑龙江自动化技术与应用，1997 [7] 施小城.ROV工作母船动力定位控制系统研究[D].哈尔滨工程大学博士学位论文，2001：3-5页

北斗导航定位系统发展研究 篇6

关键词北斗导航定位系统;经济;国防建设

中图分类号TN967.1文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)111-0138-01

北斗双星导航定位系统简称CNSS是我国自行研制的区域性卫星定位与通信系统,能够覆盖我国全部国土,可向用户提供全天候、高精度、大范围的定位服务。三维定位精度约几十米,授时精度约100ns。它和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo并称为全球四大卫星导航定位系统。该系统的建立将对我国国防和国民经济建设发挥重要作用。近年,我国在西昌卫星发射中心陆续将几颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道,标志着我国北斗卫星导航定位系统组网建设又迈出重要一步。目前,我国北斗导航卫星已进入密集发射组网阶段。

1北斗双星导航定位系统组成及定位原理

北斗导航定位系统是由空间部分、用户终端设备和地面中心处理站三部分组成。空间部分包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星;地面中心处理站包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户终端包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。系统可包括多个用户管理机构,也可以设置若干个地面标准站。

1)空间部分:由两颗地球同步卫星、一个在轨卫星构成,卫星上带有信号转发装置,执行地面中心站与用户终端的双向无线电信号的中继任务。导航卫星不主动向用户发送无线电导航电文,这一点与GPS和GLONASS卫星导航系统有根本区别。

2)用户终端:是指具有自动信号转发器能与地球同步卫星双向通信的设备。其主要功能有:对地面中心处理站发出的询问信号做出自动响应,并自动发送应答信号;在应答信号中置入与其他用户终端进行交换的通讯信息;接收和显示地面中心处理站经卫星转发的本用户终端的位置数据和通讯信息。

3)地面中心处理站:是整个导航定位系统的中枢,负责无线电信号的转发及整个工作系统的监控管理。北斗导航定位系统的突出特点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单,一切复杂性过程集中于地面中心处理站。

北斗卫星导航定位系统采用的是“双星定位”,基本定位原理为三球交会测量原理:以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心,各以测定的卫星至用户终端的距离为半径,形成2个球面,用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站从存储在计算机内的数字化地图得到用户高程值,提供一个以地心为球心,以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面,地面中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标,这个坐标经加密由出站信号发送给用户。由于用户至卫星的距离是通过用户终端向卫星发送信号,由信号到达卫星时间的差值计算得到的,所以北斗导航定位系统属于“有源定位”。

2北斗导航定位系统特点

1)定位方式。北斗导航卫星定位系统是一种双星定位系统与GPS多星定位系统有本质的不同。美国的GPS使用24颗卫星(还另有3颗备份卫星)组成网络,这些卫星不间断地向地面站发回精确的时间和星历数据。而北斗导航系统对所有用户位置的处理在地面中心站完成,而不是在卫星上进行的。地面中心站保留全部北斗用户的位置及时间信息,并监控管理整个系统。北斗导航采用的是有源定位,而GPS是无源定位。有源定位用户的位置信息通过地面中心站联系,就不需要通过其他的通讯卫星进行通讯,节省了空间卫星的数目,一星多用符合我国国情。

2)覆盖区域。北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。北斗导航卫星位于东经80度和140度距离地面高36000公里的地球同步轨道上,覆盖范围为北纬5°-55°,东经70°-140°,并没能覆盖全球的范围。区域性是我国双星定位的技术特点、水平以及国家需求决定的。而GPS是覆盖全球的全天候导航系统。

3)实时性。北斗导航定位系统中卫星接收到用户位置信息要送回地面中心控制系统进行处理,中心控制系统解算出用户的位置数据后再发回给用户,这期间通过卫星转发,地面中心控制系统的数据处理,使实时性受到影响,定位精度降低。

由此可见,北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单价廉、能实现一定区域的导航定位和通讯功能的优点。缺点是不能覆盖全球,保密性差,用户容量受到一定限制。

3结束语

我国北斗导航定位系统目前还有很多缺陷和GPS系统相比还有很多不完善的地方,应用也没GPS那么广泛,但它是我国自主研制的导航定位系统,对于发展我国国民经济,加强国防建设,促进我国卫星导航定位事业的发展,具有重大的经济和社会意义。北斗导航定位系统作为我国自主研制的第一代卫星导航定位系统,进一步减少对国外导航定位系统的依赖性也有着重要意义。

北斗导航定位系统的最大优势的是具有导航定位和通信的双重功能,虽然容量有限,但它的通讯功能让它在军民两方面都拥有巨大的应用前景,有专家称北斗系统是一个生命线工程,因为配有北斗接收设备的求救者可在一秒钟内发出呼救信号并随即能得到控制中心的响应和施救。北斗系统作为一个空中监视系统在所有的有线系统都瘫痪的情况下,仍旧可以及时报告灾情位置和发送相关援救信息。作战时北斗系统可为中国军队提供精确制导,为战场的士兵提供准确的战场环境资料。如5.12文川大地中后,北斗导航定位系统在通信中断的情况下就发挥了重要作用,救灾部队利用携带的北斗系统陆续发回各种灾情和救援信息,为部署援救方案提供了重要的帮助。2008年北京奥运会期间的交通和场馆的安全监控方面同样也应用到了北斗导航定位系统。

随着我国北斗导航定位系统的不断完善,北斗卫星导航系统将会在船舶运输、交通运输、野外作业、水文测报、森林防火、渔业生产、勘察设计、环境监测等众多行业和场合以及其他有特殊调度指挥要求的单位提供定位、通信和授时等综合服务。

参考文献

[1]张志龙,华克强,孙淑光.北斗导航系统与GPS组合在民航的应用,2005,7.

[2]党玮.模块化数字式气压高度表的研制和GPS双星定位方案预研,南京航空航天大学,2005.

[3]高汉增.北斗导航定位系统介绍即其发展设想,中国航海学会航标专业委员会无线电导航学组”2003年会”论文集,2003.

定位导航技术 篇7

在目前的室内定位系统中,大多是基于无线信号的定位, 包括基于RSS (Receive Signal Strength) 、AOA (Angle - Of - Arrival ) 、 TOA ( Time - Of - Arrival ) 、 TDOA ( Time - Difference - Of - Arrival )[1,2]等定位技术,其中基于RSS的定位具有方法简单、成本低等优点。 通过接收到的锚节点信号强度信息, 以电波传播经验公式反演出距离信息,再利用数值的或拟合的方法即可得出被测目标的位置信息。 但是由于室内环境的复杂性,室内电波传播具有较强的时变特性, 指纹法定位[3,4,5,6]较传统的基于电波传播模型的定位能更准确地获取目标的空间位置,因而被广泛应用于室内定位系统中。 指纹法的定位精度受离线阶段建立的指纹库的精细程度影响很大,高精细度指纹库的建立耗时费力,阻碍了指纹法的实际应用。 利用加速度计、 磁强计、 陀螺仪等运动传感器能够精确地测得物体的运动信息[7], 通过这些信息可以得到载体的航向和距离, 再根据初始位置信息推算其位置, 以实现载体的惯性导航。 在嵌入式设备中通常使用MEMS传感器来获取相应的数据,但这些传感器存在较大的固有误差和随机测量误差等,长时间的误差积累会导致导航精度的下降,因此不适于长期单独工作。

本文将基于RSS指纹的无线定位方法与基于运动传感器的航迹推算方法相结合,融合两种方法的定位信息, 提高了系统整体定位精度; 同时减少了指纹法中离线阶段的指纹库采集量, 也解决了单纯惯导累计误差大的问题;设计并实现了具有一定实用价值的室内定位系统。

1 指纹法无线定位

指纹法的实施主要有两个阶段: 离线指纹库建立阶段和在线定位阶段。 指纹法定位原理如图1 所示。 在离线阶段, 对一些标定位置进行RSS信息的采集, 建立样本点RSS指纹数据库。 在线实时定位阶段,根据目标节点获取到的RSS信息,通过一定的算法与指纹库中的指纹信息进行匹配,匹配成功后即可获得目标节点的位置估计。 指纹库的匹配算法有很多类型,其中直接计算指纹距离的方法简单且易于实现。 将获取的目标节点RSS信息与指纹库中的各样本点信息进行比对,计算其与每个样本点的欧式距离,直接选取距离最小的样本点位置即可作为对目标节点位置的估计。 但由于指纹库中样本点的数量通常比较稀少, 各样本点之间的距离很大,所以这种简单的匹配方法得出的结果精度较差。 为提高定位的精度, 可以选取匹配距离最小的3 个样本点坐标,以目标节点RSS信息与样本点RSS信息的欧式距离作为权值进行加权质心计算,将其结果作为估计的目标位置坐标。

由于指纹库样本点数量有限, 且在现实场景中无线电波的传播受环境变化影响很大,测得的RSS值会有较大的波动,因此通过指纹法作加权质心估计的目标位置仍然不会有太高的精度。

2 基于运动传感器的惯性导航和定位

利用MEMS运动传感器提供的地磁方向、 旋转速率、 加速度等传感数据, 通过航迹推算算法可以估计运动的方向和距离,从而估计出目标的实时位置。

测量磁传感器的磁场强度,通过与地磁方向的比较计算, 可以得出目标的运动航偏角, 但单纯的磁传感器存在高频抖动和测量误差等问题,会导致航偏角出现偏差;利用陀螺仪测得的角速度数据通过积分也可以得到航偏角, 但陀螺仪存在低频的指向漂移等问题, 也会导致航偏角指向不准。 因此为减小磁传感器的抖动误差以及陀螺仪指向漂移的问题,通常采用卡尔曼滤波或互补滤波器[8,9]的方法对传感数据进行处理。 这两种方法中,前者收敛速度慢, 对处理器的性能有较高的要求, 并且实现复杂度高,而后者结构简单,相对更易于实现,因此本文采用互补滤波器融合两种方法测得的数据,减小了航偏角的最终误差。 互补滤波器的结构如图2 所示。 首先,磁力传感器的数据通过低通滤波器滤除高频的抖动噪声, 然后通过计算得到估计的航偏角; 陀螺仪的数据经过积分, 并通过高通滤波器滤除低频的漂移噪声,得到估计的航偏角。 最后将得到的这两组数据加权求和得到最终的航偏角。

获得载体的运动方向后, 再通过加速度传感器可以测得系统的总体加速度,由于加速度传感器容易受运动影响产生高频抖动, 故在应用前需对数据进行低通滤波。 将总体加速度在运动方向上进行投影即可得到载体实际运动的加速度。 最后将加速度信息对时间进行二次积分即可得到载体在运动方向上的距离。 由于常用的MEMS传感器存在较大的固有误差和随机测量误差等,因此长时间积分会导致较大的累积位置误差。

3 两种方法融合的定位系统设计

为解决单纯的指纹法或惯性导航精度偏低的问题,可以将无线定位和惯性导航的信息进行融合,以更小的代价获取更高的定位性能,其定位原理如图3 所示。 利用运动传感器获得的地磁方向、 旋转速率、 加速度等传感数据, 通过航迹推算算法可以估计运动的方向和距离。 基于RSS指纹的定位方法利用与锚节点通信的RSS信息, 在指纹库中进行匹配, 匹配成功后可以估计目标的位置信息。 以室内二维平面定位为例,由预先设定的初始位置对航迹推算系统的起始位置进行初始化,在载体运动过程中, 当获取到两种方式的定位估计值之后,利用信赖度对其结果进行加权融合,得到最终的联合定位位置。

当使用指纹法进行定位时, 算法将实际测得的RSS矢量R(rss1, … , rssn) ( rssi( i = 1 , 2 , … , n ) 表示从第i个锚节点收到的RSS值),与指纹库中的RSS指纹进行比对,选取欧式距离最近的3 个RSS指纹R′ (rss1′ , … , rssn" ) 、 R "( rss1" , … , rssn" ) 、 R ″′( rss1″′ , … , rssn″′ ) 对应的样本点位置作加权质心计算定位结果。 当R与3 个样本点的最小欧式距离Dis=min(‖R-R′‖,‖R-R"‖,‖R-R″′‖)越小,定位结果可信度越高。 当Dis大于某一阈值 θ 时, 认为该定位结果无效。 定义信赖度因子 α∈[0,1], 描述指纹法的可信度。 该值与Dis关系如式(1)所示。

惯性导航系统随时间的增长, 其误差累积加大, 当导航时间超过x秒后,定位误差过大,此时,可认为其定位结果不可信。 为其定义信赖度因子 β∈[0,1], 描述惯性导航系统的可信度。该值在x秒内随时间以1/x斜率递减,与时间的关系如式(2)所示。

在上式中, 在x秒之后, 航迹推算系统的信赖度变为0,对最终的定位结果不做贡献。 为在定位中能有效利用惯导信息,设定定位开始后当信赖度低于某一阈值ω 时, 重新推算载体位置并更新计时。

最终定位结果由下式计算获得:

式中,loc表示最终估计位置,loc1为指纹法定位估计出的位置,loc2为惯性导航估计出的位置。

在实际应用中, 设指纹法RSS采集周期为T1, 运动传感器采集周期为T2, 通常情况下T1> T2, 即在一个RSS采集周期内会有连续多个运动传感信息。 因此,仅在每个T1周期时刻上由式(3) 进行定位信息的融合, 并将融合的位置作为每轮的初始位置, 在T1时间间隔内由惯性导航推算载体运动位置。 采用以上方法得到的运动轨迹由于多种测量误差的影响会表现出位置的波动,可以通过滑动平均等简单的方法对位置信息进行滤波,得到最终的运动轨迹。

4 系统搭建及测试验证

在测试中采用由TI公司CC2430 芯片构成的满足Zig Bee标准的无线传感器网络节点, 该节点具备自组织网络功能,并能实时获取与其余节点通信的接收信号强度值,可以实现指纹法的无线定位。 通过在扩展接口上连接多种MEMS运动传感器模块,可以实时测得载体的运动方向和加速度信息。 对于这些信息的处理既可以采用集中式的处理也可以由各个节点进行分布式处理。 由于自组织网络具有一定的通信能力,且RSS信息和运动传感器信息的数据量通常较小,所以在本文的测试验证中将这些信息发送至上位机进行集中演算处理,以避免节点自身计算资源不够、计算速度较慢的问题。

在指纹法无线定位中,首先需要布置固定位置的锚节点, 并建立可以通信的无线传感器网络, 然后在测试区域内多个样本点测量RSS值,以收集指纹信息建立标准指纹库,该指纹库存放于上位机中。 在物体定位跟踪过程中,将带有MEMS运动传感器的节点附带于物体之上,与载体一同运动。 在运动中,节点将实时测得的RSS值和传感器信息传送至上位机,由上位机使用基于信赖度的联合定位算法完成各类信息的计算和融合,最终获得载体的位置信息。

测试工作在一间7 m×7.5 m的房间中进行, 测试场景如图4 所示。 其中小圆圈表示锚节点,星号表示用于构造指纹库的样本点采集位置, 实线表示被测目标的实际运动轨迹。 测试载体为一平板小车,带有MEMS传感器的节点固定于小车之上,从位置(0.9 m,2.1 m)开始沿实线箭头方向运动,最终停止于位置(0.9 m,2.5 m)处。

在测试过程中,设定RSS采集周期T1= 2 s , 运动传感器采集周期T2= 0 . 1 s , 根据实验经验, 设定指纹法信赖度阈值 θ=20, 设定惯性导航信赖度时间x=20 s, 阈值 ω=0 . 4 。 测试结果如图5 所示。 其中实线表示被测目标的实际运动轨迹, 点划线表示单纯指纹法估计的轨迹, 点线表示单纯惯性导航估计的轨迹,虚线表示基于信赖度的联合定位算法融合定位的最终轨迹。

无线定位技术研究 篇8

定位技术是指获得在参考坐标系下物体的空间位置信息。对无线定位技术的研究[1]可以追溯到第二次世界大战时期的军事应用, Stansfield于1947年提出了基于AOA测量的无源目标跟踪 (Passive Target Tracking) 问题, 民用方面始于对自动车辆定位的研究。1996年美国联邦通信委员会 (FCC) 的E-911法令[2], 对定位技术在网络设备和手机中定位精度做出明确的规定:基于蜂窝网络定位, 要求定位精度在100米以内的概率不低于67%, 在300米以内的概率不低于95%;基于网络辅助定位, 要求定位精度在50米以内的概率不低于67%, 在150米以内的概率不低于95%。

2 定位技术分类

无线电定位系统通常由一个或者多个已知位置作为定位参考点 (Localization Beacon, LB) 的无线电设备以及一个或者多个待确定位置的无线电设备组成。在直达波 (LOS) 传播条件下, 常规的定位方法[3]是通过检测和估计直达波的特征参数加信号强度 (Received Signal Strength, RSS) 、到达时间 (Time of Arrival, TOA) 、到达时间差 (Time Difference of Arrival, TDOA) 、到达角 (Angle of Arrival, AOA) 以及这些参数的联合估计。可分为以下四类:

2.1 通过测量信号场强 (RSS) 定位的方法。

测量信号场强实现起来成本很低, 一般非常简单的无线电装置都能测场强。

2.2 通过测量波达角 (AOA/DOA) 定位的方法。

对AOA的估计依靠阵列信号处理得到, 其中最直接的方法是相位干涉法。在距离较远的情况下, 很小的角度误差会导致很大的定位误差, 文献中常把这种现象称之为GDOP (geometric dilution of precision) 效应。

2.3 通过测量波达时间 (TOA) 定位的方法。

波达时间 (TOA) 是指目标发出的信号经过传播到达观测点所用的时间。取得的方式有多种:一种是把目标始终与观测站始终严格同步, 目标发出信号时打上时间戳, 观测站接收到根据时间戳算出传播耗时;另一种是观测站发出信号, 被测目标受到后马上转发回来, 这样观测站把发信到收信所用时间的一半作为波达时间。

2.4 通过测量波达时间差 (TDOA) 定位的方法。

波达时间差 (TDOA) 是指目标发出的电磁波信号被一组观测站所接受, 它们所得到的波达时间的差异。由于有着传播时间相减的过程, 不需要被测移动站 (MS) 与观测基站 (BS) 之间的时间同步, 仅需要多个观测基站 (BS) 之间时间同步。TDOA描述的目标移动站的可能位置, 是目标到两个观测基站恒定时间差所能形成的双曲线。多组TDOA能够提供多组双曲线的交点, 从而定出目标的位置。

3 NLOS定位技术

在收发双方之间不存在直线传播路径的传播方式称为非直达波 (Non-line of sight, NLOS) 传播。由NLOS传播导致的信号延迟增大、信号强度衰落以及到达角的改变, 使得观测信号特征参数与LN位置之间的函数关系变得十分复杂, 直接应用传统的定位方法将导致定位性能与实际应用的要求相去甚远。

用来消除NLOS传播误差的方法主要有三种:

图1 GPS卫星配置

3.1 使用模型进行近似匹配定位。

首先测的传播信道的特征值, 然后建立一个信号传播模型, 当进行移动目标定位的时候直接通过特定模型来进行定位。这种方法的最大缺陷是建立准确的模型比较困难, 并且因为建筑物或环境的变化模型容易失效。

3.2 使用NLOS和LOS的测量值进行定位。

对测到的数据进行加权使用来减小NLOS的影响, 权值来源于定位地理特征和基站的所处位置或是基站的各自残差。这种方法的优点是尽管处于NLOS环境下, 但总能测的一个位置, 缺点是测的的位置信息不足够精确或者说不是很可靠。

3.3 对NLOS环境下的LOS信号基站进行识别。

M.P.Wylie提出使用历史信息来进行识别, Li Cong提出使用残差信息进行识别。J.Riba提出使用最大似然检测进行识别。如果识别出来的结果是正确的, 则定位算法的准确性得到证明, 但是由于经常会出现错误的识别, 会导致定位误差偏大。第三种方法还有一个局限性就是要求至少有三个LOS基站信号, 才可以进行目标定位。

4 主流定位技术

目前在日常生活中, 影响比较大的主流定位技术主要有GPS、GSM和CDMA的gps One三种。

4.1 GPS。

GPS (全球定位系统) [4]是美国国防部研制的新一代卫星导航与定位系统。该系统从20世纪70年代初开始设计、研制, 经历约20年, 于1995年全部建成, 卫星位置见图1。

GPS整个系统由下列三大部分组成:空间部分, 包括工作卫星和备用卫星;控制部分, 控制整个系统和时间, 负责轨道检测和预报;用户部分, 主要是各种型号的接收机。

4.2 GSM。

对于移动或联通的G网 (GSM) 用户, 可以通过手机接收到运营商的网络信号来定位。一个GSM手机只要处于开机状态, 就表1三种定位技术的比较

可以接收到附近基站的信号, 根据用户当前所处基站的小区, 可以定位出手机和这些基站之间的相对位置。

4.3 CDMA。

联通C网 (CDMA) 由于和GSM有实质性的差异, 它的定位方式和GSM网络有所不同。联通每个CDMA基站都内置了GPS定位系统, 开发出了一种结合CDMA基站和GPS信息的定位方式:gps One, 其工作原理如图2所示。

三种定位技术的比较见表1。

5 定位服务

与位置相关的服务, 被称为基于位置信息的服务 (LBS, Location Based Service) 。基于位置信息的服务有着极广泛的用途, 目前移动定位技术已经使一系列激动人心的无线应用成为可能。2010年备受关注的典型应用有:Google Buzz, Foursquare, HLayar, HLoopt H, HBrightkite, HGowalla, 大众点评等。

随着3G的普及, 我国的LBS服务将会越来越完善, 国内已经有一些厂商研发相关终端产品。结合自身搭建的系统平台, 可以实现对终端的精确定位, 和历史轨迹查询等功能。

参考文献

[1]陈璋鑫.LOS/NLOS无线定位方法研究[D].成都:电子科技大学, 2009.

[2]Federal Communications Commission."Revision of the Commissions Rules to InsureCompatibility with Enhanced 911 EmergencyCalling Systems".1996.

[3]曹轶超.无线电定位算法研究及目标运动分析[D].上海:东华大学, 2009.

汽车四轮定位技术调整技术及应用 篇9

1 四轮定位目的

现在由于汽车技术的不断发展和道路状况的改善, 使得汽车的行驶速度越来越高, 汽车的操纵稳定性对行车安全影响越来越大。因此为了使汽车具有良好的操纵稳定性和行驶安全性, 并减少轮胎及相关部件的磨损, 在轮胎安装和车轮的悬挂系统均设置有车轮定位角度 (车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角等, 各汽车生产厂家根据不同车型, 设置有不同的出厂数据) 。由于汽车在运行中不可避免的机械磨损、疲劳变形, 以及碰撞变形、换件修理等, 都会导致车轮的实际定位状况与原设计指标及汽车出厂时的安装调试参数有改变, 甚至有的差别较大, 以致影响汽车的动力性, 经济性以及行驶安全性。甚至严重的不能正常运转。因此我们必须及时做车轮定位性能的检测与校准。

我们一般在下面几种情况须做四轮定位检测:a.新车行驶3000公里后;b.每行驶10000km或6个月后;c.直行中需要紧握转向盘时;d.直行时方向盘不正;e.直行中出现车身往左或往右偏时;f, 行车感觉车身漂浮或摇摆不定时;g.更换新的悬架或转向系统后;h.安装新的轮胎后;i.前轮或后轮单轮磨损严重时;g.发生碰撞事故维修后。

2 汽车前轮定位参数调整技术的研究

2.1 前束的调整点。

前轮前束一般是通过旋转横拉杆进行调整的, 偶尔出现的轿车会使用凸轮进行调整, 横拉杆前置式安装在车桥的前侧, 横拉杆后置式则安装在车桥的后侧。在进行横拉杆的调整时, 通过旋转拉杆, 使长度发生变化, 进行前束角的调整;横拉杆后置式的前束值的大小与长度的变化成正比, 前置式反之。

前束的调整过程中需要规避运动干涉造成的误差。列如在进行前驱前置横拉杆的调整过程中, 可以通过旋转拉杆端部的调整套筒进行调节, 而不可以旋转整个拉杆的本体;在调整好之后, 应该在规定力矩的要求下拧紧各部位的螺栓, 确保在受力准确的与位置正当的情况下进行校准, 避免运动干涉所导致的恶性事故。

2.2 车轮外倾角与主销后倾角的调整。

在当代汽车的使用过程中往往选用过程中往往使用的是麦弗逊式前悬架, 他的主销轴线是筒式减震器上支座中心与下摆臂外端球头销中心的连线。在进行主销后倾角与车轮外倾角的调整过程中可以对对调整减震器上端位置的调整而达到目的。然后通过对减震器线段的转向器与该处连接位置的调节, 亦可以完成对前轮定位的目的。

通过对零主销偏移位置的调整可以提升汽车在转向过程中的轻便性。副主销偏移的轴线经过了减震器的上端中心, 然后向外侧的减震器中心轴线靠拢, 然后通过地面与车轮中心线的外侧, 使汽车行驶的安全性得以提升。一旦汽车在行驶过程中出现了一侧爆胎, 副主销偏移会通过对车轮施加外力使其自动向内侧转动, 提高了汽车驾驶过程中的稳定性。

车辆在制造过程中出现了主销偏移方式不同的麦弗逊悬架, 但是调整的方法基本上没有发生什么变化。定位盘-轴承座一般安装在麦弗逊悬架的减震器下端, 在畸形主销后倾角调整的过程中, 万钢需要选择对症下药, 不过在进行调节的过程中方法基本上是大同小异的。

由以上所述, 可以总结麦弗逊悬架主销后倾角的主要调整方式如下:

2.2.1零主销偏移的麦弗逊悬架可通过减振器下端的定位盘上的纵向孔, 前后移动减振器下部来调整。2.2.2将减振器上端的装配孔改成纵向的长孔, 可前后移动减振器上端的位置来调整主销后倾角2.2.3在下摆臂与支架连接的衬套处加入垫片可少量的调节主销后倾角。麦弗逊悬架的车轮外倾角常用调整办法如下:a.通过减振器下端的定位盘上的横向孔, 左右移动减振器下端来调整;b.将减振器上端的装配孔改成横向的长孔, 可左右移动减振器上端的位置来调整车轮外倾角;c.在减振器下端与转向节连接处, 使用如偏心螺栓、偏心球头销、偏心衬套等等专业的外倾角调整零件进行调节。

3 汽车后轮的定位参数调整技术的研究

3.1 后轮外倾角的调整。

后轮定位技术在车辆中一般并不常见, 面对需要调节的车辆, 往往在调节过程中通过安家垫片以及楔形块的方式进行调节。

在进行后轮定位调整的过程中可以使用搓孔法将见证其下端的圆形装配孔通过打磨的方式打磨成一种长孔, 通过孔径大小的变化使外倾角发生改变。但是通过这种技术进行调整会造成螺孔的孔径与螺栓之间出现间隙, 一旦汽车在行驶过程中受到了外力, 就有可能在力的传递过程中将其之间的紧合度进行松动, 使车辆的安全性降低。所以这种方法在发展过程中并没有得到广泛的使用。但是, 如果使用偏心螺栓对其进行外倾角的调整, 就会使车辆更加稳定, 安全性更高。在进行外倾角的校正过程中, 一般是使用外力强行对减震器的形状进行人为的改变, 进而达到对车轮外倾角调整的目的。该方法的使用条件是这两在形式过程中见证其或下肢臂受到外力影响而发生变形。所以在检测过程中如果发现并不是因为以上原因造成的, 那么就算在进行外倾角的过程中校准的准确度较高, 但是由于对减震器造成了机械破坏使其外形发生了变化, 导致了其不能够正常的工作, 进而引发了二次影响, 所以一旦这种状况出现, 就算在时候对减震器又进行了更换, 但是由于没有对问题的根源进行排除, 那么外倾角偏移的问题将依旧存在。所以在使用校正器对外倾角进行调整时, 一定要对车辆进行详细的检查, 经过精心的策划之后在进行行动的实施, 避免由于操作不当出现的损失。

我国在轿车应用的品牌中大多可以看见法国出产的汽车, 这些车基本上采用了扭转拉杆弹簧式后悬架, 该类车将外倾角的调节装置与车身高度的调节装置结合到了一起, 使其在负责车辆外倾角调节的过程中与车辆自身的高低也联系在了一起。所以在进行后轮外倾角的调节过程中需要考虑车辆的高度, 避免出现违背使用规律的状况发生。

3.2 后轮前束的调整。

通常在前悬架中撑杆的长度是用来调节主销后倾角的。但在多数有下摆臂和球头销连接的后悬架中, 后轮前束可以通过调节后悬架撑杆的长度, 来进行调整。将撑杆上的锁紧螺母松开后, 通过旋转撑杆来调整后轮前束角, 调整结束后再以规定力矩拧紧锁紧螺母即可。一些后悬架上有专门的前束调整装置, 摆臂上设有偏心销, 用以调节后轮前束及外倾角。还有在多数的麦弗逊式后悬架的下摆臂上都设有专用于调节后轮前束的偏心轮装置。

结束语

汽车四轮定位技术调整技术是保证车辆能够直线行驶、安全行驶、确保方向盘灵活易用等的重要汽车维修技术, 在车辆的使用以及发展过程中汽车四轮定位技术调整技术将大大的提高车辆行驶的安全性以及稳定性。

摘要：在机械制造业发展技术不断进步的今天, 在汽车制造的行业中, 现代汽车对车辆内部发动机以及变速器维修的频率正在不断的降低, 并对实际使用中的四轮定位技术予以了高度的依赖。

关键词：汽车,四轮定位,调整技术

参考文献

定位导航技术 篇10

1 单目视觉定位原理

依据鼠标定位原理, 当目标移动时, 其移动轨迹会被记录为一组高速拍摄的连贯图像, 然后对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理, 通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析, 来判断目标的移动方向和移动距离, 从而实现目标的定位, 实现步骤分为图像采集、特征点检测及特征匹配和位姿计算等几个方面。

1.1 摄像头标定及变换矩阵H

摄像头与地面的相对距离固定, 为方便简历建立线性模型并简化计算, 现假定为理想情况, 排除摄像头成像中非线性畸变因素, 用针孔成像模型近似表示摄像机成像过程, 投影图模型如下:

图1为三个不同层次的坐标系统: (1) 世界坐标系 (2) 摄像头坐标系 (3) 图像坐标系 (图像物理坐标系和图像像素坐标系) , P为空间中任意一点, P’为点P在像平面上的像点。本文采用基于4个特征点的方法求解位姿参数, 选取空间中共面、相对距离已知且大体成正方形的4个点P1, P2, P3, P4, 提取出其灰度图像边缘点的拟合圆的光斑中心, 依据摄像头坐标系与图像坐标系之间的投影模型, 求得摄像机成像平面和图像平面之间的透视投影矩阵也即变换矩阵H, 完成摄像机标定。假设P点的像平面坐标为 (u, v) , P点的实际平间坐标为 (Xw, Yw) , 在这里我们只考虑二维地面的定位, 所以统一令Z=0, 用H3*3矩阵表示变换矩阵, 通常归一化h33=1则有:

计算拆分得:

求得:

1.2 ORB (Oriented brief) 特征匹配

对每幅图像进行裁剪对齐、图像二值化等预处理之后, 用FAST算法提取出特征点;用Harris响应函数对这些点筛选排序, 选出最好的前N个点;根据Intensity Centroid算法 (计算特征点区域的矩得到) 计算出角点的方向;提取源图像和待匹配图像的特征向量后, 采用汉明距离来判断两幅图像中检测的关键点是否匹配, 本文采用Locality-sensitive hashing (LSH) 算法来提高匹配特征点查找速度。经验证, 该方法提取特征点速度较快, 具备良好的抗噪声能力, 且匹配效果较好。

实验中采集地面信息, 验证该算法的匹配效果, 结果如图2所示:

2 定位算法的初步实现———相对偏移量和偏转角度

以像平面的底边中心为原点建立像平面坐标系, 则对于已筛选出的匹配较好的N个特征点, 同一特征点在相邻时间间隔采集到的像平面上对应前后两个坐标值, 分别为3X0i, Y0i, 3 3X1i, Y1i3, 根据二维平面的坐标变换关系矩阵, 可以写成如下式子:

其中△X, △Y, β分别为相对偏移量和偏转角度。

根据最小二乘法将选取的N个特征点的坐标展开式子如下:

为方便计算, 将式子 (5) 化简为式子 (6) , 如下:

由此, 将像平面的位姿信息通过变换矩阵H的逆矩阵, 即可得到空间坐标系中目标物体的位姿信息。

在VC2010上运行程序, 用MFC编写出人机交互客户端, 界面结果显示如图3:

其中, 前两个框图是摄像头实时采集过程中相邻两幅图像的特征匹配效果图, 左下角框图是目标载体在目标平面以世界坐标信息作出的实际运行轨迹图, 右下角框图是摄像头实时采集的地面信息, 最右下角是实时显示出的相邻两帧图像间坐标信息的变化量———相对位移量及角度信息, 及通过坐标变换转化成的相对应的世界坐标系位姿信息。该程序较好的实现了目标载体的自定位, 具备较好的实时性。

3 结语

结合单目视觉定位精度问题, 本文提出了实时输出目标姿态信息的定位技术, 试验表明该方法具备有效的可行性、可靠性, 计算速度较快且有较高的定位精度。现代工业对于单目视觉测量技术的研究还有更高的要求, 亟需更多的技术和方法来提高和优化, 在这里就不再做详细讨论。

摘要：为解决单目视觉定位精度问题, 本文提出了一种基于鼠标定位原理的单目视觉定位技术, 它通过快速多次摄取图像来实现。经测验, 该方法能实时输出物体自身的位姿信息, 有较高的定位精度且具备良好的噪声抑制能力。

关键词：单目视觉,鼠标定位,实时,自定位

参考文献

[1]Ethan Rublee, Vincent Rabaud, Kurt Konolige, Gary Bradski, ORB:an effcient alternative to SIFT or SURF, ICCV 2011:2564-2571.

[2]吴伟.基于二维地图匹配的机器人定位关键技术研究, 2006.2.Wu wei, Research on Key Technologies of Robot Localization Based on 2D Map Match.February.1, 2006.

[3]赵月.单目位姿测量目标中心定位算法研究, 2011.3, 17-18, 46.Zhao Yue, Center Positioning of Target in Monocular Position and Attitude Measurement, March.2, 2011, 17-18P, 46P.

[5]胡明星, 申军青, 袁保宗, 基于简化摄像机自定标模型下的三维重建方法, TN911.73.