慣性車載導航系統(tǒng)

1、PBOX-100TeL:車載組合導航系統(tǒng)( Car Integrated Navigation System)PBOX-100用戶手冊V1.0上海航姿測控科技有限公司2017 年7月1日0PBOX-100TeL:1 系統(tǒng)介紹 .11.1 產(chǎn)品概述 .11.2 產(chǎn)品特點 .11.3 產(chǎn)品優(yōu)點 .11.4 產(chǎn)品應用 .22設計原理 .23電器特性 .43.1極大值參數(shù) .43.2電器特性 .44性能指標 .55機械尺寸 .76坐標系和安裝方位 .76.1坐標系 . .76.2安裝方位 .87使用說明 .87.1傳感標定 .87.2通信接口 .87.3通信頻率 .97.4通信協(xié)議 .97.5控制命令

2、 .98 注意事項 .119 固件升級 .12附錄： . .121 GPGGA.122 GPRMC .133 GPATT.141PBOX-100TeL:1 系統(tǒng)介紹1.1 產(chǎn)品概述PBOX-100是一款高性能的面向車載導航領(lǐng)域的車載組合導航系統(tǒng)，系統(tǒng)包含高性能的同時支持北斗和 GPS的衛(wèi)星接收機芯片、 三軸陀螺儀、三軸加速度等； 通過在線的自適應組合導航算法， PBOX-100提供實時高精度的車輛定位、測速和測姿信息，在 GNSS系統(tǒng)的信號精度降低甚至丟失衛(wèi)星信號時，不借助里程計信息， PBOX-100利用純慣性導航技術(shù)，也可在較長時間內(nèi)單獨對汽車載體進行高精度定位、測速和測姿。圖 1. PB

3、OX-1001.2 產(chǎn)品特點元件選型：高性能三軸陀螺儀和三軸加速度計；誤差補償：完成正交誤差/ 溫度漂移等誤差補償；唯一防盜：每個產(chǎn)品標定參數(shù)均不一致防盜版；物理尺寸：緊湊模塊化設計可節(jié)省用戶產(chǎn)品空間；通信協(xié)議：即插即用的標準通信協(xié)議NEMA0183；工程安裝：無安裝角度要求方便用戶車載安裝；亞米級：支持 RTCM2.3協(xié)議 / 復雜環(huán)境亞米級導航；1.3 產(chǎn)品優(yōu)點陀螺漂移：消除陀螺漂移獲高精度姿態(tài)航向信息；加速噪聲：消除震動加速度獲高精度速度信息；零速修正：零速修正算法可防止導航數(shù)據(jù)漂移；軟件算法：基于自適應的擴展卡爾曼濾波算法；智能識別：識別并隔離有較大誤差的GNSS數(shù)據(jù)；1PBOX-10

4、0TeL:擺脫里程計：利用純慣性導航實現(xiàn)高精度定位；導航技術(shù)：組合導航和純慣導航技術(shù)自主切換；1.4 產(chǎn)品應用車輛高精度導航公交車智能交通車輛遠程監(jiān)控2 設計原理圖 2.設計原理圖衛(wèi)星導航系統(tǒng)：衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有實現(xiàn)全球、全天候、高精度的導航等優(yōu)點；但衛(wèi)星導航系統(tǒng)容易收到周圍環(huán)境的影響，例如樹木樓房等，造成多路徑效應，使得定位結(jié)果精度降低甚至丟失，尤其是在隧道等室內(nèi)環(huán)境中，衛(wèi)星導航系統(tǒng)基本無法使用。2PBOX-100TeL:另外，即使在空曠的環(huán)境下， 當載體速度非常低時， 衛(wèi)星導航系統(tǒng)獲得載體方位信息（航向角）也會產(chǎn)生較大誤差。慣性導航系統(tǒng) :慣性導航是以牛頓力學定律為基礎， 通過測量載體在慣性

5、參考系的加速度， 將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標中，就能夠得到在導航坐標中的速度、偏航角和位置等信息，同時可以獲得載體的載體信息。但慣性導航系統(tǒng)由于陀螺儀零點漂移嚴重，車輛震動等因素，致使無法通過直接積分加速度獲得高精度的方位和速度等信息，即現(xiàn)有的微慣性導航系統(tǒng)很難長時間獨立工作。組合導航系統(tǒng)：衛(wèi)星 / 慣性組合導航充分利用慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)優(yōu)點，基于最優(yōu)估計算法 卡爾曼濾波算法融合兩種導航算法，獲得最優(yōu)的導航結(jié)果；尤其是當衛(wèi)星導航系統(tǒng)無法工作時，利用慣性導航系統(tǒng)使得導航系統(tǒng)繼續(xù)工作，保證導航系統(tǒng)的正常工作， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。擺脫里程計常規(guī)車載導航系統(tǒng)往往依靠里程

6、計和陀螺儀的DR 方案，實現(xiàn)汽車復雜環(huán)境下的高精度導航定位，里程計信號對于很多汽車后裝市場而言，連接非常復雜，而且涉及汽車安全問題。經(jīng)過多年的研發(fā)，在GNSS系統(tǒng)的信號精度降低甚至丟失衛(wèi)星信號時，PBOX-100 系統(tǒng)完全擺脫了對里程計依賴， 僅僅利用純慣性導航技術(shù)， 也可在較長時間內(nèi)單獨對汽車載體進行高精度定位、測速和測姿，與市場上現(xiàn)有的相關(guān)產(chǎn)品相比，性能得到了較大地提升。當然， PBOX-100 系統(tǒng)可以連接里程計信號，將會獲得更好的性能指標。車輛姿態(tài)角PBOX-100 導航系統(tǒng)利用多年對MEMS 慣性器件的研究經(jīng)驗， 通過自適應濾波算法實現(xiàn)了對陀螺儀漂移和加速度震動信號的濾波，并進一步可

7、以獲得高精度的姿態(tài)信息，從而可以滿足坡道檢測等車輛監(jiān)控和導航應用的各種需求。PBOX 導航系統(tǒng)PBOX-100 導航系統(tǒng)提出了衛(wèi)星導航精度的智能識別算法，基于組合導航提供的高精度導航信息，對衛(wèi)星導航的定位精度進行識別，如果衛(wèi)星導航精度較好，則進行組合導航，一旦發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星導航信號非常差甚至丟失信號，則進行純慣性導航，總之，PBOX-100 導航系統(tǒng)實現(xiàn)了組合導航和純慣性導航的自主切換。3PBOX-100TeL:3 電器特性PBOX-100 導航產(chǎn)品的電器特性：3.1 極大值參數(shù)參數(shù)電源指標單位電源電壓電源電流環(huán)境操作溫度5230 to 85VA度存儲溫度3.2 電器特性40 to 125度參數(shù)電氣

8、輸入電壓 Vdd電流功耗時間上電到第一個有效數(shù)據(jù)時間1 特別強調(diào)：本產(chǎn)品內(nèi)部有通訊模塊，瞬時最大電流會達到指標單位5V350【1】mA1750mW30S2A ，注意供電電流要求能達到2A 。4PBOX-100TeL:4 性能指標里程計時GNSS 信號丟失時間接收機定位方式水平位置5 秒標準定位1.0-2.0m10秒標準定位1.5-5.5m30秒標準定位3.0m60秒標準定位5.0m1. 一倍標準差（ 1 ）無里程計時GNSS 信號丟失時間接收機定位方式水平位置5 秒標準定位2.0-3.5m10秒標準定位10.0m60秒標準定位25.0m120標準定位60.0m1. 一倍標準差（ 1 ）GPS

9、部分性能參數(shù)接收機類型11水平速度 1俯仰橫滾角 1航向角0.05m/s0.3deg1.0N/AN/AN/AN/AN/AN/A0.30m/s0.4deg1.0deg水平速度 1俯仰橫滾角 1航向角0.05m/s0.5deg1.0N/AN/AN/AN/AN/AN/A0.5m/s1.0deg2.0deg指標72 通道 ublox M8 引擎 GPS L1C/AGLONASS L1OFBeiDou B111TTFF冷啟： 27s溫啟： 3s熱啟： 1s輔助啟動： 5s靈敏度跟蹤定位： -165dBm重捕獲： -160dBm冷啟動： -148dBm溫啟動： -148dBm熱啟動： -156dBm水平定

10、位精度自主定位： 2.5mSBAS ：2.0m授時精度RMS ： 30ns99% ： 60ns速度精度0.05m/s航向精度0.3degrees操作限制動態(tài) =4g高度 =50,000m速度 =500m/s5PBOX-100TeL:5 機械尺寸6 坐標系和安裝方位6.1 坐標系PBOX的坐標系如圖 5 所示， XYZ(前側(cè)上 )軸滿足右手定則。圖 5 PBOX-100 的坐標系6PBOX-100TeL:6.2 安裝方位PBOX-100 安裝方式大致如圖6 所示，沒有嚴格安裝角度限制，大致如此即可，從而方便用戶車輛安裝。圖 6 PBOX-100安裝方式7 使用說明7.1 傳感標定由于芯片制造工藝

11、等問題，每個 PBOX-100 的各個傳感器元件（三軸陀螺儀、三軸加速度計）的零點、靈敏度和溫漂等參數(shù)都不一樣，為了使每個 PBOX-100 達到相同的性能指標，出廠前已經(jīng)對 PBOX-100 的各個傳感器元件進行了各種誤差補償。每個產(chǎn)品的傳感器元件標定參數(shù)均不一樣，如果采用相同的參數(shù)， 將會造成較大的導航誤差，這種唯一性可用于防止了系統(tǒng)盜版，從而提高了用戶產(chǎn)品的可靠性。7.2 通信接口PBOX-100 系統(tǒng)提供一個串口，用于發(fā)送衛(wèi)星信息和接收差分信息。串口不提供硬件握手方式，且采用 8 位數(shù)據(jù)位、 0 位奇偶校驗位， 1 位停止位（ 8-N-1 ）方式，波特率默認為 9600, 可根據(jù)用戶要

12、求，可以修改為 115200 。7.3 通信頻率目前，系統(tǒng)支持輸出1hz 和 5hz 的數(shù)據(jù)刷新頻率，默認頻率為1HZ。7.4 通信協(xié)議目前，PBOX-100 系統(tǒng)輸出常見的NMEA0183 協(xié)議，例如：GPGGA、GPRMC，GPGSV, GPGSA，另外，為了輸出汽車姿態(tài)信息，PBOX-100 系統(tǒng)定義了一組通信協(xié)議GPATT。7PBOX-100TeL:7.5 控制命令PBOX-100 系統(tǒng)支持用戶通過串口發(fā)控制命令實現(xiàn)如下功能，但是，PBOX-100 無法保存設置，即 PBOX-100 每次上電都是按默認方式輸出。表 1 慣性導航使能類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注1log gpins使能

13、慣性導航默認結(jié)果請見協(xié)議 GPATT2unlog gpins關(guān)閉慣性導航結(jié)果請見協(xié)議 GPATT表 2 輸出頻率設置類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注1log ghigh實現(xiàn) 5HZ輸出結(jié)果請見輸出協(xié)議2unlog ghigh實現(xiàn) 1HZ輸出默認結(jié)果請見輸出協(xié)議表 3 ATT 協(xié)議使能類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注4log gpatt打開 GPATT默認結(jié)果請見輸出協(xié)議8unlog gpatt關(guān)閉 GPATT結(jié)果請見輸出協(xié)議表 4 ZDA 協(xié)議使能類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注1log gpzda打開 GNZDA結(jié)果請見輸出協(xié)議2unlog gpzda關(guān)閉 GNZDA默認結(jié)果請見輸出協(xié)議表 5 G

14、SV協(xié)議使能1log gpgsv打開 GPGSV,GPGSA結(jié)果請見輸出協(xié)議2unlog gpgsv關(guān)閉 GPGSV,GPGSA默認結(jié)果請見輸出協(xié)議表 6 BD/GLONS 選擇類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注1log gpgbd選擇 GPS+BD結(jié)果請見協(xié)議 GPATT8PBOX-100TeL:2unlog gpgbd選擇 GPS+Glonass默認結(jié)果請見協(xié)議 GPATT表 7波特率設置類型類型屬性通信協(xié)議默認值備注4log g4800選擇 4800結(jié)果請見輸出協(xié)議5log g9600選擇 9600默認 1結(jié)果請見輸出協(xié)議6log g1920選擇 19200結(jié)果請見輸出協(xié)議7log g384

15、0選擇 38400結(jié)果請見輸出協(xié)議8log g1152選擇 115200默認 2結(jié)果請見輸出協(xié)議備注：（ 1 ） 命令全部為小寫字母；（ 2 ） log 和 unlog 后面有一個空格鍵。（ 3 ） GPATT 協(xié)議包含了很多產(chǎn)品信息，建議用戶保留該協(xié)議的輸出，方便查詢問題。（ 4 ） GPGSV,GPGSA占用串口資源，建議用戶使用慣性導航功能時關(guān)閉兩組協(xié)議。（ 5 ） PBOX-100 有兩種默認波特率 9600/115200 ，請用戶訂貨時確認所需的波特率。（ 6 ） PBOX-100 執(zhí)行各種用戶命令需要的執(zhí)行時間，具體情況如下表所示，如果用戶發(fā)命令請確保改命令的執(zhí)行。序號命令類型所需

16、時間1慣性導航使能20ms2輸出頻率設置20ms3ATT 協(xié)議使能20ms4ZDA 協(xié)議使能20ms5GSV協(xié)議使能500ms6BD/GLONS 選擇500ms7波特率設置20ms8 注意事項PBOX-100 系統(tǒng)作為一款高性能的車載組合導航系統(tǒng)，在使用過程中，也需要用戶注意一些使用事項，如表：序號準備工作重要性1上電前，大致按著圖5 安裝，無具體安裝角度要求；必須2上電前，固連車體和PBOX-100；必須9PBOX-100TeL:138189333973上電后，不能再移動 PBOX-100；必須4車體移動前，確保用戶 GPS/BD 系統(tǒng)輸出規(guī)定的協(xié)議必須序號組合導航初始化過程重要性1上電后，

17、靜止 5-10 秒以上，完成導航系統(tǒng)的姿態(tài)初始化；必須2汽車移動后，盡量保持 PBOX-100 導航系統(tǒng)在空曠的地方行駛一定時間，進行組合導航系統(tǒng)的算法收斂，然后在進入隧道等復雜環(huán)境下進行測試。進一步說明：總結(jié)：組合導航系統(tǒng)初始化過程， 建議車輛首先在無遮擋的環(huán)境下行駛大約幾分鐘， 然后再進入有遮擋環(huán)境下，組合導航系統(tǒng)的定位效果才會好。9 固件升級為了方便用戶使用， 本產(chǎn)品支持串口升級固件功能，我方將提供了 sourceCRT 軟件進行升級，具體步驟如下：1、設置 sourceCRT 通信參數(shù)如圖所示：10PBOX-100TeL:2、 sourceCRT 設置后，通過鍵盤輸入字符UPSOFT，

18、進入固件升級菜單，如圖所示：3、通過鍵盤輸入字符 1 ，進入固件升級流程，在菜單中選擇“傳輸” ，并在文件名里面選擇待升級固件 bin 文件，在協(xié)議欄里面選擇“發(fā)生 YMODEM ”，然后點擊“確定” （在升級完畢前保持電源） ，過程如圖所示：11PBOX-100TeL:4 、當顯示“ Programming Completed Successfully!”字樣時，固件升級成功。附錄：1 GPGGA例如： $GPGGA,062938.00,3110.4700719,N,12123.2657056,E,1,25,0.6,58.9666,M,0.000,M,99,AAAA*5012PBOX-100

19、TeL號名稱描述符號舉例1$GPGGALog header$GPGGA2utcUTC時間 (時/分/秒)hhmmss.ss202134.003lat緯度： -9090 度llll.lllllll3110.46939034latdir緯度方向： N ：北； S ：南aN5lon經(jīng)度： -180180 度yyyyy.yyyyyyy12123.26216956londir經(jīng)度方向： E ：東； W ：西bW7QF解狀態(tài)0 ：無效解；q41 ：單點定位解；2 ：偽距差分；8sat No.衛(wèi)星數(shù)n149hdop水平 DOP 值x.x1.010alt高程h.h50.2211a-u

20、nits高程單位MM14age差分延遲dd115stn ID基站號： 0000-1023，xxxx1單機時： AAAA16*xxChecksum*hh17CRLFSentence terminatorCRLF2 GPRMC例如： $GNRMC,064401.65,A,3110.4706987,N,12123.2653375,E,0.604,243.2,300713,0.0,W,A*3E編號名稱描述符號舉例1$GPRMCLog header$GPRMC2utcUTC時間 (時/ 分/ 秒)hhmmss.ss143550.00解狀態(tài)：3Pos statusA= 有效定位AAV= 無效定位4lat緯

21、度： -9090度llll.lllllll3110.48549115latdir緯度方向： N ：北； S ：南aN6lon經(jīng)度： -180180度yyyyy.yyyyyyy12123.91292787londir經(jīng)度方向： E：東； W：西bE8SPEED IN地面速率q0.2913PBOX-100TeL:138189333979Track Ture地面航向角n108.510DateUTC 日期ddmmyy01090911Mag var磁偏角（000.0180.0 度，前導位數(shù)不0.00.0足則補 0）12Vardir磁偏角方向， E（東）或 W（西）MM模式指示（僅 NMEA0183 3.00版本輸13Mode ind出， A= 自主定位， D= 差分， E=估算，aAN=數(shù)據(jù)無效）14*xxChecksum*hh*5715CRLFSentence terminatorCRLF3 GPATT例如：編號名稱描述符號舉例1$GPATTLog header$GPATT2Pitc