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摘要：近几年随着车联网不断快速发展，车联网作为物联网的一个重要应用方向。车载导航定位系统是整个车联网系统的核心。全球定位系统（GPS，Global Positioning System）和捷聯惯性导航系统（SINS，Strap-down Inertial Navigation System）是车辆导航定位领域的两大技术。本文应用的车联网GPS/SINS组合定位方法可实时显示车辆的姿态信息，解决了在城市高楼、隧道等地方短时间卫星无法定位的问题，具有定位精度提高，抗干扰能力增强等优点，在实际生活中具有比较高的价值。
关键词：车联网；GPS；SINS；组合定位算法
1引言
GPS导航系统设备具有价格便宜、定位准确等特点在交通工具的导航定位系统中得到了广泛的应用。但是，为了保证GPS设备能够良好定位，至少需要有四颗卫星位于视距范围内，在城市环境中，一些高大建筑物会引起天空的可见视野被阻挡，使得车辆在这些卫星盲区内无法通过GPS获得准确的定位信息。另外，城市内高大建筑物会反射GPS信号，导致严重的多径效应，造成车辆定位时位置信息出现比较严重的偏差问题。SINS与GPS相比，SINS定位导航技术因为不需要依赖任何的外界信息，可以完整并且连续地提供导航信息，具有较强抗干扰能力的优点，但加速度计和陀螺仪漂移产生的误差会随着时间的推移而増加，因此无法长时间达到定位导航需求。基于以上的原因，我们提出在车联网定位导航系统中应用GPS/SINS组合定位方法，最终给出在实际道路使用条件下具有较高的定位精度、抗干扰能力及稳定性的车联网GPS/SINS组合定位应用技术。因此，通过结合车辆的运行特点，运用组合系统完成系统定位解决城区盲区问题，在现实生活中具有重大意义。
2 GPS卫星导航系统
GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；具有高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位等多特点；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。
3 捷联惯性导航系统
捷联惯性导航系统是把惯性仪表直接固连在载体上，用计算机来完成导航平台功能的惯性导航系统。惯性测量单元测量的值经过计算机解算，在导航信息显示装置中显示出来。它将加速度计和陀螺仪直接安置在机动载体上，一般至少需要安装三个加速度计和三个单自由度陀螺，它们的敏感轴互相垂直，组成王维坐标系。载体三个轴的角速度就可通过三个陀螺敏感出来，获取角速度之后可在计算机中实时计算姿态矩阵。然后通过姿态矩阵把三个加速度计测得的载体沿机体坐标轴向的加速度信息变换到导航坐标系，再进行导航计算。同时，可从姿态矩阵中提取姿态和航向信息。显示的信息包括速度、方向角、位置等。微惯性测量单元测得的值都是载体坐标系下的物理量。
4 GPS与SINS组合模式研究
4.1 车联网GPS与SINS组合定位系统设计
GPS/SINS组合定位系统主要包括中央处理器、GPS接收模块、加速度传感器、陀螺仪传感器单元等。通过加速度传感器和陀螺仪传感器实时对车辆的速度、位移和航向进行信息收集，把数据传送给中央处理器进行解算处理之后得到具体数据，从而实现车辆的位置信息。组合定位系统设计中利用伪距、伪距率的信息进行组合，具体方法是利用GPS的信息和SINS系统的速度、位置信息计算相对应的伪距和伪距率，再与GPS接收机的伪距、伪距率的差作为量测值，使用卡尔曼滤波器得到SINS和GPS误差状态的最优估计，再组合系统的输出进行校正。紧组合除了具有松组合的特点外，因为减少了GPS接收机的相应速度、位置解算带来的误差使系统可获得较髙的导航精度，但是系统的设计也更为复杂，原理图如图1所示。
由此可知，因此组合定位系统的可靠性和正确性比单独使用卫星导航系统或者捷联惯性导航系统更加可靠和准确。因此我们在实际应用中便提出了把GPS和SINS组合导航一体机的方案。
4.2车联网GPS/SINS组合系统仿真
根据GPS/SINS组合导航系统进行仿真，并通过MATLAB仿真比较本文提出的GPS/SINS组合定位与GPS独立定位的位置误差。仿真结果如图2所示，蓝色实线表示本文提出的GPS/SINS组合定位，黑色虚线表示GPS独立定位。
通过对比实验可清楚看到采用普通 GPS 定位设备时，在社区小道上由于距离建筑近，GPS 独立定位误差相对要大，采用 GPS/SINS组合系统组合车辆定位系统可以得到误差相对于GPS独立定位要小。仿真结果表明SINS/VSSA是定位精度比较高的车辆自主定位系统，适用于无GPS信号的盲区定位。然后在前文基础上，将GPS与SINS/ 系统组合，从而可以实现车辆行驶过程中的完整定位。并且GPS与SINS系统组合可以相互补偿，相互促进，提高定位系统的抗干扰能力与定位精度，仿真结果表明此方法具有一定的可行性。
5 结语
如何能够实现车联网中车辆盲区的精确自主定位，扩展车辆定位导航的应用范围成为车联网研究中的核心研究问题，本文通过使用车联网GPS与SINS组合定位系统进行航向推导，改进了普通车辆 GPS 定位系统， 解决了城市中由于建筑物遮挡和信号反射造成的定位不准确或无法连续定位的问题，经实验验证具有一定的实用价值。
参考文献：
[1]秦永元.惯性导航[M].北京：科学出版社，2014：170～173
[2]刘晶璟.采用加速度传感器技术实现盲区定位的研究和开发[J].计算机应用与软件， 2015：274 ～277
[3]胡继勇.车辆联网中心导航系统车载无线终端的研发[D]. 厦门大学硕士学位论文，2009，5
[4]吴锁宁.车联网发展趋势[J].上海汽车2010.10
基金项目：江西省教育厅科技项目GJJ151150， 江西科技学院大学生创新创业训练计划项目Cx38。
关键词：车联网；GPS；SINS；组合定位算法
1引言
GPS导航系统设备具有价格便宜、定位准确等特点在交通工具的导航定位系统中得到了广泛的应用。但是，为了保证GPS设备能够良好定位，至少需要有四颗卫星位于视距范围内，在城市环境中，一些高大建筑物会引起天空的可见视野被阻挡，使得车辆在这些卫星盲区内无法通过GPS获得准确的定位信息。另外，城市内高大建筑物会反射GPS信号，导致严重的多径效应，造成车辆定位时位置信息出现比较严重的偏差问题。SINS与GPS相比，SINS定位导航技术因为不需要依赖任何的外界信息，可以完整并且连续地提供导航信息，具有较强抗干扰能力的优点，但加速度计和陀螺仪漂移产生的误差会随着时间的推移而増加，因此无法长时间达到定位导航需求。基于以上的原因，我们提出在车联网定位导航系统中应用GPS/SINS组合定位方法，最终给出在实际道路使用条件下具有较高的定位精度、抗干扰能力及稳定性的车联网GPS/SINS组合定位应用技术。因此，通过结合车辆的运行特点，运用组合系统完成系统定位解决城区盲区问题，在现实生活中具有重大意义。
2 GPS卫星导航系统
GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。GPS系统拥有如下多种优点：使用低频讯号，纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性；全球覆盖（高达98%）；具有高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位等多特点；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。
3 捷联惯性导航系统
捷联惯性导航系统是把惯性仪表直接固连在载体上，用计算机来完成导航平台功能的惯性导航系统。惯性测量单元测量的值经过计算机解算，在导航信息显示装置中显示出来。它将加速度计和陀螺仪直接安置在机动载体上，一般至少需要安装三个加速度计和三个单自由度陀螺，它们的敏感轴互相垂直，组成王维坐标系。载体三个轴的角速度就可通过三个陀螺敏感出来，获取角速度之后可在计算机中实时计算姿态矩阵。然后通过姿态矩阵把三个加速度计测得的载体沿机体坐标轴向的加速度信息变换到导航坐标系，再进行导航计算。同时，可从姿态矩阵中提取姿态和航向信息。显示的信息包括速度、方向角、位置等。微惯性测量单元测得的值都是载体坐标系下的物理量。
4 GPS与SINS组合模式研究
4.1 车联网GPS与SINS组合定位系统设计
GPS/SINS组合定位系统主要包括中央处理器、GPS接收模块、加速度传感器、陀螺仪传感器单元等。通过加速度传感器和陀螺仪传感器实时对车辆的速度、位移和航向进行信息收集，把数据传送给中央处理器进行解算处理之后得到具体数据，从而实现车辆的位置信息。组合定位系统设计中利用伪距、伪距率的信息进行组合，具体方法是利用GPS的信息和SINS系统的速度、位置信息计算相对应的伪距和伪距率，再与GPS接收机的伪距、伪距率的差作为量测值，使用卡尔曼滤波器得到SINS和GPS误差状态的最优估计，再组合系统的输出进行校正。紧组合除了具有松组合的特点外，因为减少了GPS接收机的相应速度、位置解算带来的误差使系统可获得较髙的导航精度，但是系统的设计也更为复杂，原理图如图1所示。
由此可知，因此组合定位系统的可靠性和正确性比单独使用卫星导航系统或者捷联惯性导航系统更加可靠和准确。因此我们在实际应用中便提出了把GPS和SINS组合导航一体机的方案。
4.2车联网GPS/SINS组合系统仿真
根据GPS/SINS组合导航系统进行仿真，并通过MATLAB仿真比较本文提出的GPS/SINS组合定位与GPS独立定位的位置误差。仿真结果如图2所示，蓝色实线表示本文提出的GPS/SINS组合定位，黑色虚线表示GPS独立定位。
通过对比实验可清楚看到采用普通 GPS 定位设备时，在社区小道上由于距离建筑近，GPS 独立定位误差相对要大，采用 GPS/SINS组合系统组合车辆定位系统可以得到误差相对于GPS独立定位要小。仿真结果表明SINS/VSSA是定位精度比较高的车辆自主定位系统，适用于无GPS信号的盲区定位。然后在前文基础上，将GPS与SINS/ 系统组合，从而可以实现车辆行驶过程中的完整定位。并且GPS与SINS系统组合可以相互补偿，相互促进，提高定位系统的抗干扰能力与定位精度，仿真结果表明此方法具有一定的可行性。
5 结语
如何能够实现车联网中车辆盲区的精确自主定位，扩展车辆定位导航的应用范围成为车联网研究中的核心研究问题，本文通过使用车联网GPS与SINS组合定位系统进行航向推导，改进了普通车辆 GPS 定位系统， 解决了城市中由于建筑物遮挡和信号反射造成的定位不准确或无法连续定位的问题，经实验验证具有一定的实用价值。
参考文献：
[1]秦永元.惯性导航[M].北京：科学出版社，2014：170～173
[2]刘晶璟.采用加速度传感器技术实现盲区定位的研究和开发[J].计算机应用与软件， 2015：274 ～277
[3]胡继勇.车辆联网中心导航系统车载无线终端的研发[D]. 厦门大学硕士学位论文，2009，5
[4]吴锁宁.车联网发展趋势[J].上海汽车2010.10
基金项目：江西省教育厅科技项目GJJ151150， 江西科技学院大学生创新创业训练计划项目Cx38。