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將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

電子設(shè)計(jì) ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-02-15 09:10 ? 次閱讀

當(dāng)GPS信號較弱或暫時(shí)模糊時(shí),壓力傳感器可大大增加導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

當(dāng)GPS信號被摩天大樓或高層建筑反射時(shí),其信號傳播延遲增加,GPS接收器假設(shè)距離該衛(wèi)星的距離比實(shí)際情況要大。因此,垂直和水平精度下降(見圖1)。

將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

圖1:GPS信號反射和GPS接收器的真實(shí)位置。

壓力傳感器可用于測量氣壓,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高度測量。如下所述,當(dāng)GPS信號較弱或暫時(shí)模糊時(shí),這些測量值可大大增加導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

博世Sensortec BMP085非常適合此類應(yīng)用,因?yàn)槠淙娴姆庋b尺寸和電氣參數(shù)專門針對便攜式設(shè)備和超低功耗應(yīng)用。使用BMP085壓力傳感器,可以進(jìn)行多徑GPS信號檢測和抑制。

將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

圖2:GPS接收器計(jì)算的位置。箭頭表示最小化的偏差誤差。

一種簡單的方法是比較GPS衛(wèi)星和BMP085之間的高度差異。如果不相關(guān)(參見圖3),導(dǎo)航系統(tǒng)可以假設(shè)發(fā)生GPS信號反射并將GPS位置標(biāo)記為無效。

將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

圖3:GPS高度(藍(lán)色)確實(shí)如此由于GPS信號反射,與BMP085高度(紅色)無關(guān)。這里最大垂直GPS誤差約為45米。

如果可以在GPS算法中進(jìn)行緊密集成,建議采用三種提高精度的方法:

找出最匹配的衛(wèi)星集通過計(jì)算每個(gè)衛(wèi)星組合的位置來測量壓力傳感器的高度。多路徑信號被抑制,因?yàn)樗鼈儠⒂?jì)算位置推到真實(shí)位置下方(參見圖2)。

如果計(jì)算能力有限,請執(zhí)行以下三步計(jì)算:

根據(jù)可用的所有衛(wèi)星計(jì)算位置(參見圖2)。

使用BMP085的高度數(shù)據(jù)調(diào)整垂直位置(參見圖4)。非多徑和多徑GPS信號之間的偏差差別很大。

gnore衛(wèi)星偏差過高。重新執(zhí)行位置計(jì)算(參見圖5)。

通過在地球表面強(qiáng)制計(jì)算數(shù)學(xué)上最可能的位置,降低自由度。橢圓體,由BMP085提供的高度放大。除了這會在一定程度上抑制多徑信號的事實(shí)之外,如果只有三顆衛(wèi)星在視野中,水平精度會顯著提高。

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圖4:垂直位置隨海拔高度而變化BMP085。箭頭表示每個(gè)的最小誤差。

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圖5:GPS接收器計(jì)算的位置,如果忽略多徑GPS信號。

我們強(qiáng)調(diào)這樣一個(gè)事實(shí),即使沒有校準(zhǔn),建議的方法也可以工作壓力傳感器到海平面的精確壓力 - 只看高度變化。例如,不是找到最符合BMP085高度的衛(wèi)星組,而是找到一個(gè)組合,其與上一個(gè)GPS位置的高度差最佳地匹配BMP085提供的兩個(gè)相應(yīng)高度之間的差異(見圖6a和b) 。

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圖6a:由于高度差不匹配,這種衛(wèi)星組合包含多徑GPS信號。

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圖6b:當(dāng)高度差匹配時(shí),多徑GPS信號是抑制。

請注意,由于天氣變化,應(yīng)該每分鐘提供一次可靠的高度 - 通過GPS或3D地圖信息 - 如果需要絕對高度,則重新校準(zhǔn)壓力傳感器。

隧道中的估計(jì)

由于導(dǎo)航系統(tǒng)無法在隧道中接收GPS信號,并且重新獲取最多需要15秒,因此如果交叉點(diǎn)位于隧道內(nèi)部或之后,則需要進(jìn)行距離估算。在本節(jié)中,我們建議使用BMP085作為高度計(jì)進(jìn)行距離估算的方法有坡度的隧道

這種方法(見圖7)涉及測量隧道入口與汽車實(shí)際高度之間的確切高度差。三維地圖信息使導(dǎo)航系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地估計(jì)隧道中覆蓋的距離。與傳統(tǒng)的距離估計(jì)相比,基于隧道內(nèi)部和內(nèi)部速度相同的假設(shè),此方法不受速度變化的影響。

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圖7:測量具有斜率的隧道中的距離。以下示例(圖8,9,10和11)演示了此方法的效率。

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圖8:德國黑森林隧道中BMP085(紅色)和GPS(藍(lán)色)的海拔高度剖面圖。

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圖9:海拔高度差異隧道入口和出口。

海拔差異:38米

海拔高度分辨率:0.3米

隧道長度:1100米

- 如果斜率是線性的,則距離分辨率《10 m。假設(shè)斜率恒定,可以使用以下公式估算距離分辨率:

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將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

圖10:海拔高度德國斯圖加特隧道中的BMP085(紅色)和GPS(藍(lán)色)的文件。

將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高精度定位

圖11:隧道入口和出口之間的海拔差異。

請注意偏差在隧道入口之前由GPS和BMP085提供的高度之間是由于陡峭和樹木繁茂地區(qū)的衛(wèi)星能見度有限。

海拔差異:40米

海拔分辨率: 0.3 m

隧道長度:1200 m

- 如果斜率是線性的,距離分辨率《10 m。沒有斜坡的隧道

沒有斜坡的城市隧道里面的斜坡大多通過地下。因此,它們可能在入口之前和隧道出口之后有一個(gè)斜坡(見圖12)

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圖12:隧道出口后的斜率。

這些斜率可以用BMP085壓力傳感器檢測,用作高度計(jì)。因此確定隧道出口比使用GPS接收器要快得多,因?yàn)橹匦芦@取GPS信號可能需要幾秒鐘。

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圖13:滑路進(jìn)入高速公路進(jìn)入東京(日本)。

識別進(jìn)入或離開高速公路的支路如何由于非軍用GPS的水平精度差,通過非常接近的道路是難以區(qū)分的。 》如果有進(jìn)入或離開高速公路的支路,BMP085通過指示道路的坡度為導(dǎo)航系統(tǒng)提供基本信息。

如果車輛在當(dāng)?shù)剀嚨郎闲旭偅ㄒ妶D13a),高度變化是相反,如果它進(jìn)入高速公路(見圖13b),使用BMP085壓力傳感器可以非常可靠地檢測到高度變化。

請注意,即使GPS提供高度信息,它也不一致,準(zhǔn)確到足以可靠地檢測斜坡。

結(jié)論

GPS汽車導(dǎo)航系統(tǒng)在開闊的國家是高度可靠的,但是當(dāng)他們穿越隧道或城市峽谷時(shí),它們的準(zhǔn)確性會受到影響,特別是當(dāng)車輛出現(xiàn)在不同的高度時(shí)。將壓力傳感器集成到GPS系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)精確的高度測量,當(dāng)GPS信號距離較弱或暫時(shí)模糊時(shí),可大大增加此類系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

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