車載組合導(dǎo)航系統(tǒng).doc

車載組合導(dǎo)航系統(tǒng) ( Car Integrated Navigation System)GI-100用戶手冊V1.6 上海航姿測控科技有限公司2016年12月15日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(yīng)用22 設(shè)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(biāo)55機械尺寸與引腳定義65.1機械尺寸65.2引腳定義76 推薦電路86.1推薦PCB封裝86.2推薦參考電路87坐標(biāo)系和安裝方位97.1坐標(biāo)系97.2 安裝方位98使用說明108.1傳感標(biāo)定108.2通信接口108.3通信頻率108.4 通信協(xié)議108.5 控制命令119注意事項1210固件升級1310.1 winxp系統(tǒng)1310.2 win7系統(tǒng)15附錄：171 GPGGA172 GPRMC183 GPATT191系統(tǒng)介紹1.1產(chǎn)品概述GI-100是一款高性能的面向車載導(dǎo)航領(lǐng)域的車載組合導(dǎo)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(yīng)組合導(dǎo)航算法，GI-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，GI-100利用純慣性導(dǎo)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. GI-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(biāo)定參數(shù)均不一致防盜版； 物理尺寸：緊湊模塊化設(shè)計可節(jié)省用戶產(chǎn)品空間； 通信協(xié)議：即插即用的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜環(huán)境亞米級導(dǎo)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(dǎo)航數(shù)據(jù)漂移； 軟件算法：基于自適應(yīng)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)； 擺脫里程計：利用純慣性導(dǎo)航實現(xiàn)高精度定位； 導(dǎo)航技術(shù)：組合導(dǎo)航和純慣導(dǎo)航技術(shù)自主切換；1.4產(chǎn)品應(yīng)用 車輛高精度導(dǎo)航 公交車智能交通 車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控2 設(shè)計原理圖2.設(shè)計原理圖衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)： 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有實現(xiàn)全球、全天候、高精度的導(dǎo)航等優(yōu)點；但衛(wèi)星導(dǎo)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(yīng)，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(dǎo)航系統(tǒng)基本無法使用。另外，即使在空曠的環(huán)境下，當(dāng)載體速度非常低時，衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng):慣性導(dǎo)航是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)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(dǎo)航系統(tǒng)由于陀螺儀零點漂移嚴(yán)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(dǎo)航系統(tǒng)很難長時間獨立工作。組合導(dǎo)航系統(tǒng)：衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航充分利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航算法，獲得最優(yōu)的導(dǎo)航結(jié)果；尤其是當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法工作時，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)使得導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)工作，保證導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)往往依靠里程計和陀螺儀的DR方案，實現(xiàn)汽車復(fù)雜環(huán)境下的高精度導(dǎo)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(fù)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，GI-100系統(tǒng)完全擺脫了對里程計依賴，僅僅利用純慣性導(dǎo)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(dāng)然，GI-100系統(tǒng)可以連接里程計信號，將會獲得更好的性能指標(biāo)。車輛姿態(tài)角 GI-100導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)航應(yīng)用的各種需求。GI導(dǎo)航系統(tǒng) GI-100導(dǎo)航系統(tǒng)提出了衛(wèi)星導(dǎo)航精度的智能識別算法，基于組合導(dǎo)航提供的高精度導(dǎo)航信息，對衛(wèi)星導(dǎo)航的定位精度進行識別，如果衛(wèi)星導(dǎo)航精度較好，則進行組合導(dǎo)航，一旦發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號非常差甚至丟失信號，則進行純慣性導(dǎo)航，總之，GI-100導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)了組合導(dǎo)航和純慣性導(dǎo)航的自主切換。3電器特性GI-100導(dǎo)航產(chǎn)品的電器特性：3.1極大值參數(shù)參數(shù)指標(biāo)單位電源電源電壓3.3V環(huán)境操作溫度度存儲溫度度3.2電器特性參數(shù)指標(biāo)單位電氣輸入電壓Vdd3.0-3.3V電流150【1】mA功耗450mW時間上電到第一個有效數(shù)據(jù)時間30S1特別強調(diào)：本產(chǎn)品內(nèi)部有復(fù)雜的組合導(dǎo)航算法，所以功耗比一般的導(dǎo)航模塊高，請再設(shè)計硬件電路過程中，一定給本產(chǎn)品預(yù)留足夠的功耗，即電流不小于150mA。4性能指標(biāo)里程計時GNSS信號丟失時間接收機定位方式水平位置1水平速度1俯仰橫滾角1航向角15秒標(biāo)準(zhǔn)定位1.0-2.0m0.05m/s0.3deg1.010秒標(biāo)準(zhǔn)定位1.5-5.5mN/A N/AN/A30秒標(biāo)準(zhǔn)定位3.0mN/AN/AN/A60秒標(biāo)準(zhǔn)定位5.0m0.30m/s0.4deg1.0deg1. 一倍標(biāo)準(zhǔn)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1水平速度1俯仰橫滾角1航向角15秒標(biāo)準(zhǔn)定位2.0-3.5m0.05m/s0.5deg1.010秒標(biāo)準(zhǔn)定位10.0mN/A N/AN/A60秒標(biāo)準(zhǔn)定位25.0mN/AN/AN/A120標(biāo)準(zhǔn)定位60.0m0.5m/s1.0deg2.0deg1.一倍標(biāo)準(zhǔn)差（1）GPS部分性能參數(shù)指標(biāo)接收機類型72通道ublox M8引擎GPS L1C/AGLONASS L1OFBeiDou B1TTFF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/s5機械尺寸與引腳定義5.1機械尺寸 5.2引腳定義圖4 引腳定義PIN NO.管腳定義使用說明PIN NO.管腳定義使用說明1TXD2 串口發(fā)送/復(fù)用速度脈沖接收15GND電源地2RXD2 串口接收/復(fù)用ODO方向標(biāo)識（1=向前）16RF_INGPS_RF輸入3TXD1串口發(fā)送17GND電源地4RXD1 串口接收18NC懸空5NC懸空19NC懸空6VCC工作電壓：3.0-3.3V20NC懸空7GND電源地21GND電源地8NC懸空22NC懸空9NC懸空23NC懸空10RESET#模塊復(fù)位，低電平有效。不用時，懸空24VDDUSBUSB電源11V_BCKP備份電池，2.8V-3.3V。不用時，可以懸空25USB_D-USB數(shù)據(jù)-12NC懸空26USB_D+USB數(shù)據(jù)+13GND電源地27EXTINT1速度脈沖14GND電源地281PPS1秒信號輸出6 推薦電路6.1推薦PCB封裝6.2推薦參考電路7坐標(biāo)系和安裝方位7.1坐標(biāo)系GI的坐標(biāo)系如圖5所示，XYZ(前側(cè)上)軸滿足右手定則。圖5 GI-100的坐標(biāo)系7.2 安裝方位GI-100安裝方式大致如圖6所示，沒有嚴(yán)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 GI-100安裝方式8使用說明8.1傳感標(biāo)定由于芯片制造工藝等問題，每個GI-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GI-100達到相同的性能指標(biāo)，出廠前已經(jīng)對GI-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(biāo)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(dǎo)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。8.2通信接口GI-100系統(tǒng)提供了兩個串口，其中，串口1用于發(fā)送衛(wèi)星信息和接收差分信息，串口2用于接收里程計信息。兩個串口都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(rèn)為9600,可根據(jù)用戶要求，可以修改為115200。8.3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(rèn)頻率為1HZ。8.4 通信協(xié)議目前，GI-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，GI-100系統(tǒng)定義了一組通信協(xié)議GPATT。8.5 控制命令 目前，GI-100系統(tǒng)支持通過控制命令實現(xiàn)如下功能：類型類型屬性通信協(xié)議默認(rèn)值備注1log ghigh實現(xiàn)5HZ輸出結(jié)果請見輸出協(xié)議2log gpins使能慣性導(dǎo)航默認(rèn)使能結(jié)果請見協(xié)議GPATT3log gpgsv打開GPGSV,GPGSA結(jié)果請見輸出協(xié)議4log g4800選擇4800結(jié)果請見輸出協(xié)議5log g9600選擇9600默認(rèn)9600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 g3840選擇38400結(jié)果請見輸出協(xié)議8log g1152選擇115200結(jié)果請見輸出協(xié)議9log gpgga選擇幀頭GPGGA結(jié)果請見輸出協(xié)議10log gngga選擇幀頭GNGGA默認(rèn)結(jié)果請見輸出協(xié)議11log gpzda打開GNZDA結(jié)果請見輸出協(xié)議12log gpatt打開GPATT默認(rèn)結(jié)果請見輸出協(xié)議20unlog ghigh實現(xiàn)1HZ輸出默認(rèn)1HZ結(jié)果請見輸出協(xié)議21unlog gpins關(guān)閉慣性導(dǎo)航詳情請見GPATT22unlog gpgsv關(guān)閉GPGSV,GPGSA默認(rèn)關(guān)閉結(jié)果請見輸出協(xié)議23unlog gpzda關(guān)閉GNZDA默認(rèn)關(guān)閉結(jié)果請見輸出協(xié)議24unlog gpatt關(guān)閉GPATT默認(rèn)關(guān)閉結(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。9注意事項 GI-100系統(tǒng)作為一款高性能的車載組合導(dǎo)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(zhǔn)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GI-100；必須3上電后，不能再移動GI-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(dǎo)航初始化過程重要性1上電后，靜止5-10秒以上，完成導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)初始化；必須2汽車移動后，盡量保持GI-100導(dǎo)航系統(tǒng)在空曠的地方行駛一定時間，進行組合導(dǎo)航系統(tǒng)的算法收斂，然后在進入隧道等復(fù)雜環(huán)境下進行測試。進一步說明：總結(jié)：組合導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的定位效果才會好。10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(shè)置sourceCRT通信參數(shù)如圖所示：2、sourceCRT設(shè)置后，通過鍵盤輸入字符UPSOFT，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：4、當(dāng)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*50編號名稱描述符號舉例1 $GPGGALog header $GPGGA2 utcUTC時間 (時/分/秒) hhmmss.ss202134.00 3 lat緯度：-9090度llll.lllllll3110.46939034 latdir緯度方向：N：北；S：南a N 5 lon經(jīng)度：-180180度yyyyy.yyyyyyy12123.26216956 londir經(jīng)度方向：E：東；W：西bW 7 QF解狀態(tài)0：無效解；1：單點定位解；2：偽距差分；q48 sat No.衛(wèi)星數(shù)n149 hdop水平DOP值x.x1.0 10 alt 高程h.h50.22 11 a-units 高程單位M M 14 age 差分延遲dd115 stn ID 基站號：0000-1023，單機時：AAAAxxxx116 *xx Checksum *hh17 CRLF Sentence terminator CRLF 2 GPRMC例如：$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.ss143550.003Pos status解狀態(tài)：A=有效定位V=無效定位AA4lat緯度：-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q0.299Track Ture地面航向角n108.510DateUTC日期 ddmmyy01090911Mag var磁偏角（000.0180.0度，前導(dǎo)位數(shù)不足則補0）0.00.012Vardir磁偏角方向，E（東）或W（西）MM13Mode ind模式指示（僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無效）aA14*xxChecksum*hh*5715CRLFSentence terminatorCRLF3 GPATT例如：$GPATT,-0.01,p,-0.0