曹西京;张登榜;朱本辉
【摘 要】In this paper, we introduced the range finding mechanism of the GPS satellite navigation system, discussed the major sources of error of the GPS systems, then analyzed the principle and the method of realization of the RTK-GPS technology, and next introduced the feasibility of the GPS as the means of absolute positioning for the AGVs. At the end, in view of the condition of the indoor working environment, we designed a combinational AGV navigation and positioning system based on the RTK-GPS technology and the dead-reckoning sensor technology.%介绍了GPS卫星导航系统的测距原理，概括并讨论了GPS系统的主要误差来源；分析了RTK-GPS技术的原理及实现方法，并利用其高精度和导航平稳性，阐述了以GPS作为AGV绝对定位方式的可行性。最后针对在室外环境下的工作要求，设计了一种RTK-GPS与航位推算多传感器组合导航AGV定位系统，实验表明该系统可满足AGV在室外环境下的运行要求，是一种可行的AGV定位导航方式。 【期刊名称】《物流技术》
【年(卷),期】2015(000)010
【总页数】4页(P252-255)
【关键词】GPS;误差;RTK-GPS;AGV;定位系统;导航
【作 者】曹西京;张登榜;朱本辉
【作者单位】陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021;陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021;陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021
【正文语种】中 文
【中图分类】P228.4;TP242
1 引言
自动导向车（Automated Guided Vehicle，AGV）是指能按照设定的路径自动行驶至指定地点，具有安全保护以及各种移载功能的工业车辆。AGV按照不同的导航定位方式发展出
了电磁导引、光学导引、激光导航、超声波导向、视觉导航和GPS导航等技术。随着AGV的应用越来越广泛，室内环境下，电磁、光带等导航方式因其技术成熟、易实现等优点被普遍采用；但在室外开阔场所，针对运行环境复杂、难以设置固定参照物等特点，近年来，GPS导航AGV技术因其路径更改自由，在室外开阔场所实现方法简单及结合数字地图便于成队指挥监控等特点，越来越受到研究者的重视。
本文主要分析GPS卫星导航误差的来源，解释RTK-GPS技术的原理，并使用RTK-GPS技术作为AGV的绝对定位方式，理论分析和仿真的结果均表明，该方式无论在定位精度还是鲁棒性等方面均可以满足AGV导航定位的要求，是一种很有应用前景的AGV定位系统选择。
2 GPS系统测距原理及定位误差分析
2.1 GPS卫星导航的测距原理
全球定位系统（Global Positioning System，GPS），由卫星星座、地面监控和用户接收机三大部分组成，能够实现全球性、全天候、连续不断的三维定位测量，为用户提供高精 度的导航定位服务。20世纪60年代，美国海军最早建立了Transit导航系统，主要用于对潜艇和舰船进行导航，但Transit系统不仅响应速度慢且需要很长的观测时间。随后在1967年，海军又建立了Timation系统，与此同时，空军发展了B621系统。随后，为避免海军、空军等不同机构在卫星导航研究上的分化并节约经费，美国国防部合并了许多卫星导航系统项目，并组建了新的NAVSTAR卫星导航系统（即GPS系统），90年代开始GPS系统逐渐具备了完全运行能力，正式向全球用户开放[1]。
GPS卫星导航定位是基于被动式测距原理的，即GPS信号接收机被动地测量来自GPS卫星的导航定位信号的传播时延，而测得GPS信号接收天线相位中心和GPS卫星发射天线相位中心之间的距离（即站星距离），进而将它和GPS卫星的在轨位置联合而解算出用户的三维坐标[2]。 为了测定三维空间中某一点（User）的坐标（xu，yu，zu），选取位置已知的三颗卫星，通过测量该点与3颗卫星的距离，这3个距离形成的球面相交于一点，通过解算可以得到交点的坐标，即该点所在的位置。当用户使用GPS接收机时，接收机可识别卫星发射的测距码信号，测距码信号经过Δt秒传播时间到达接收机，接收机立即生成一个结构与之完全相
同的复制码序列，使复制码序列与测距码序列同步，就可以测得此信号传播时间Δt，如图1所示。
图1 测量信号的传播时间
由于接收机时与GPS时存在时钟偏差δtu，因此测得的用户距离为不准确的伪距，为确定4个未知量（δtu，xu，yu，zu），需要4个独立的方程，因此在GPS定位解算时，至少需要同时观测4颗以上卫星，才能求出用户的位置坐标。
如果同时观测n颗卫星，则：
式（1）中，Pi表示卫星i与接收机的伪距测量值，（xi，yi，zi）为第i颗卫星所在的三维位置，c为光速。
gps组合在此，为计算用户的实际位置，引入一个接近用户位置的估算位置（xe，ye，ze）和估算时钟偏差δte，该估算位置与用户位置误差记为δx，δy，δz，可知x'u=xe+δx；yu=ye+δy；zu=ze+δz，则对于相应的站星距离Pu，存在Pu=Pe+δP，将方程线性化，得到矩阵形式为：
此处，Re指卫星i与估计位置的间距，其计算如下：
式（2）可简化为：
经变换可得到：
通过解算初始的用户站星伪距测量值Pi，由式（4）可求出偏差值δx，δy，δz和δte，按式（4）进行重复标准迭代，可得到新的用户与卫星的站星距离Pi，并得到新的误差分量δx，δy，δz和δte，直到第（n+1）次解算的 X（t）n+1≈X（t）n为止，通常需要3～5次迭代计算，即可得到我们认可的用户位置和时钟偏差，即（δtu，xu，yu，zu）。
2.2 GPS卫星导航定位误差分析
GPS导航定位误差受多种因素影响，包括卫星误差、传播误差、接收误差等，其中主要误差因素如下：
（1）星历误差。星历即卫星导航电文中确定的GPS卫星在轨位置，如前所述，GPS卫星导航是利用已知卫星的准确位置进而解算出用户所在的位置，卫星星历由地面监控系统推
算并维护更新，但与卫星实际的空间位置难免存在偏差；且GPS卫星受到日、月和地球等引力场的摄动影响，各种摄动力加速度会引起卫星位置的偏差。当前GPS卫星的广播星历轨道误差约在±2m[3]。
（2）时钟误差。每颗GPS卫星上都配备有高精度的原子钟（铯钟和铷钟），其日频率稳定度可达到10-13，运行12h误差小于10ns，但即便如此，10ns产生的伪距误差约等于3m；卫星钟时与GPS时的误差小于1ms，而1ms钟差引起的等效距离误差可达300km[4]，GPS时间系统还存在着接收机时与GPS时的偏差及卫星钟时与接收机时的偏差。地面监控系统需要不断对各时间系统进行维护和修正。
（3）电离层时延改正误差。电离层是距离地球表面50～1 000km之间的大气层，由于其受到太阳高能辐射以及宇宙射线的激励处于部分电离和完全电离的状态，其中存在大量的自由电子和离子，能改变GPS信号的传播速度，使无线电波发生折射、反射和散射，并受到不同程度的吸收而损失部分能量，且电离层结构特性随太阳活动、空间的差别呈现不断的变化。电离层对GPS信号传播产生附加时延[5]，使测量精度产生误差。
（4）对流层时延改正误差。对流层在电离层之下，靠近地球表面，对流层中干燥空气和水
分子等中性粒子会使GPS信号在此空间中传播时的传播路径比几何路径长，导致GPS信号传播路径的偏差。对流层对误差的影响要比电离层小很多，但也不可忽略。
（5）多路径误差。理论上，GPS接收机应该接收直接来自GPS卫星发射的信号，即直接波，然而在现实的测量定位中，GPS接收机不可避免地要接收来自地面、建筑及其他途径反射的间接波。由于反射和散射的原因，间接波实际所历路程大于直接波，该延迟在到达接收机后会对直接波产生干扰，使跟踪相关峰失真，从而在伪距和载波相位测量值上引入误差，尤其在城市地区等多径环境里，这些误差会非常大[6]。
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