低成本SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案

中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙 410083

關(guān)鍵字：慣性導(dǎo)航；組合導(dǎo)航；卡爾曼濾波

一、引言

導(dǎo)航定位已成為了交通工具不可缺少的一部分。導(dǎo)航分為自主式和非自主式，自主式導(dǎo)航包括慣性導(dǎo)航、多普勒導(dǎo)航和天文導(dǎo)航等。非自主式導(dǎo)航包括衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等。以GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航能夠提供全球性、全天候的導(dǎo)航定位服務(wù)，但是衛(wèi)星導(dǎo)航的信號容易受到遮擋導(dǎo)致定位失敗，且無法獲取載體的姿態(tài)信息。

捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navigation System,SINS)是慣性導(dǎo)航的一種實現(xiàn)方式，SINS不受外界干擾，可以輸出載體的位置、速度、姿態(tài)。但是SINS獨立導(dǎo)航時誤差會迅速積累。SINSGPS組合導(dǎo)航是公認(rèn)的有發(fā)展前景的一種導(dǎo)航模式。

針對低成本SINSGPS組合導(dǎo)航，國內(nèi)學(xué)者進行了大量研究。周姜濱設(shè)計了適合于工程應(yīng)用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與方案，并給出了組合導(dǎo)航系統(tǒng)位置速度交替組合模式的數(shù)學(xué)模型[1]；曹娟娟提出一種利用磁強計輔助MEMS-SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合模型[2]；林雪原提出了利用AHRS代替SINS航向角信息的方法，試驗表明利用該方法可有效地抑制組合系統(tǒng)航向角的發(fā)散趨勢[3]；馮紹軍設(shè)計了組合系統(tǒng)硬件和相應(yīng)軟件，并驗證了組合系統(tǒng)的性能及可行性[4]。其他學(xué)者也進行了相應(yīng)研究[5-6]。

以上研究重點介紹了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的算法部分，對組合系統(tǒng)其他部分的介紹較少，沒有形成一套完整的組合方案。本文設(shè)計了一套完整的組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案，介紹了低成本SINSGPS的硬件組成、GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、組合系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收及數(shù)據(jù)同步的方法，給出了SINS導(dǎo)航數(shù)據(jù)更新的方案及簡化數(shù)學(xué)模型，論述了數(shù)據(jù)融合卡爾曼濾波模型并進行了車載實驗。

二、硬件組成與TCP/IP鏈路

系統(tǒng)組成包括：2塊GPS接收板，1個SINS模塊，2臺筆記本電腦，其中1臺筆記本需要連接互聯(lián)網(wǎng)。

系統(tǒng)工作流程如圖1，可分為四步：

（1）GPS基準(zhǔn)站通過TCP/IP鏈路將定位數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；

（2）服務(wù)器通過TCP/IP鏈路將GPS基準(zhǔn)站的定位數(shù)據(jù)發(fā)送到GPS流動站，流 動站進行差分處理；

（3）GPS流動站通過串口2將差分后的定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行模琒INS通過串口1將陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚碇行模?/p>

（4）處理中心融合SINS、GPS數(shù)據(jù)。

1、硬件組成

MPU6050是本文使用SINS的核心元器件，集成了3軸陀螺儀、3軸加速儀，可測量載體的線加速度和角速度。模塊內(nèi)部整合了16位的ADC傳感器允許陀螺儀和加速度計的實時采樣，提高了測量精度以及實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時性。

SIM908是一款集成了GSM/GPRS技術(shù)的單頻C/A碼GPS模塊，每秒輸出1次NMEA-0183格式的GPS定位信息，由于其集成了GSM/GPRS功能，所以配合使用手機SIM卡就能快速搭建TCP/IP鏈路。

2、TCP/IP鏈路

SIM908定位精度低，無法輸出偽距?？梢允褂脙蓧KSIM908開發(fā)板進行位置差分，從而提高GPS的定位精度。利用SIM908的GPRS功能搭建TCP/IP鏈路，利用該鏈路將基準(zhǔn)站的定位信息傳輸給流動站(即組合系統(tǒng)的GPS)。

基準(zhǔn)站與流動站數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒椋?/p>

（1）使用一臺處于公網(wǎng)中的電腦作為遠程服務(wù)器；

（2）基準(zhǔn)站和流動站分別與服務(wù)器建立TCP/IP連接；

（3）利用服務(wù)器將基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給流動站。

利用Visual Basic(VB)語言及TCP/IP通訊控件Winsock可以快速實現(xiàn)TCP/IP通訊[7]。當(dāng)遠程服務(wù)器處于內(nèi)網(wǎng)中時，可以使用內(nèi)網(wǎng)通軟件映射一個外網(wǎng)IP。

三、數(shù)據(jù)接收與同步

1、數(shù)據(jù)接收

SIM908開發(fā)板采用RS-232串口通信接口標(biāo)準(zhǔn)，采用異步串行方式進行數(shù)據(jù)傳送。SINS數(shù)據(jù)通訊時可以通過硬件轉(zhuǎn)換為同樣的接口標(biāo)準(zhǔn)。

通過VB語言及串口通訊控件MSComm可以快速、方便地實現(xiàn)串口通訊[7]。本文使用兩個串口分別接收SINS和GPS數(shù)據(jù)。

2、數(shù)據(jù)同步

GPS能提供授時服務(wù)，而SINS不具備時間系統(tǒng)，因此，SINS和GPS存在數(shù)據(jù)不同步的問題。在組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合時，數(shù)據(jù)不同步會影響組合系統(tǒng)的定位精度[8]。數(shù)據(jù)同步可以通過三種方式實現(xiàn)：軟件、硬件、軟硬件結(jié)合。

本文使用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。思路是將SINS和GPS置于同一個時間系統(tǒng)下，用該系統(tǒng)的時間對SINS和GPS數(shù)據(jù)進行標(biāo)記，從而達到數(shù)據(jù)同步的目的?？梢岳糜嬎銠C時間作為統(tǒng)一的時間系統(tǒng)，在提取數(shù)據(jù)的同時記錄計算機時間。

使用windows系統(tǒng)的API函數(shù)GetLocalTime能方便地獲取計算機時間，時間精度為毫秒級[9]。此外，數(shù)據(jù)同步的時間誤差還包含：兩個串口的數(shù)據(jù)傳輸時間之差；程序提取、解析數(shù)據(jù)的時間。但對于低精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，數(shù)據(jù)同步的要求較低[8]。

四、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新

1、航姿的獲取

低成本SINS的陀螺不能感知地球自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致組合系統(tǒng)無法獲取航向角。為了解決這一現(xiàn)象，可以利用SINS自帶的姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)(Attitude and Heading Reference System, AHRS)。AHRS分 為 兩 部分：在SINS中植入姿態(tài)角算法，從而得到姿態(tài)角；在SINS中集成三軸磁力計獲取地球磁北，經(jīng)過磁偏角補償后得到航向角。

本文使用AHRS輸出的航向角和姿態(tài)角替代慣導(dǎo)解算的航姿，省去了航姿更新的步驟，也無需考慮慣導(dǎo)的初始對準(zhǔn)問題。

2、速度與位置更新

首先定義坐標(biāo)系，i表示慣性坐標(biāo)系，e表示地心地固坐標(biāo)系，選取東-北-天為導(dǎo)航坐標(biāo)系n（忽略n系變化）。

由慣導(dǎo)基本方程，速度更新算法如下[10]：

式中，下標(biāo)m、m-1—分別表示tm、tm-1時刻；

Tm—慣導(dǎo)數(shù)據(jù)更新時間間隔，Tm=tm-tm-1；

ωen—位置速率；

ωie—地球自轉(zhuǎn)角速度；

g—當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋?/p>

C—表示tm-1時刻的姿態(tài)矩陣

Δvm—比力產(chǎn)生的速度增量；

Δvrotm—表示速度旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生的速度增量；Δvsculm—表示劃槳效應(yīng)產(chǎn)生的速度增量。

Δvrotm和Δvsculm采用雙子樣優(yōu)化算法計算得出，到此完成速度更新。

位置更新算法如下[10]：

式中，L、λ、h—分別表示緯度、經(jīng)度和大地高；

vN、vE、vU—分別表示北向、東向和天向速度；

RM、RN—分別表示子午圈和卯酉圈半徑。

五、數(shù)據(jù)融合

使用卡爾曼濾波器融合SINS與GPS數(shù)據(jù)，組合模式為位置組合，數(shù)學(xué)模型[11]為：

由于使用AHRS輸出的航姿替代慣導(dǎo)解算的航姿，所以卡爾曼濾波器狀態(tài)方程僅包含慣導(dǎo)速度和位置誤差方程。

綜上所述，選取狀態(tài)估計量為：

式中，δvn—速度誤差；

δpn—位置誤差；

ob—加速度計零偏。

六、實驗

為了驗證該方案的可行性，在中南大學(xué)新校區(qū)進行了車載實驗。實驗中，除了采集SINS和GPS數(shù)據(jù)，還利用商用GPS接收機進行了RTK定位，并以RTK數(shù)據(jù)作為車載的真實軌跡。SINS和GPS的各項精度指標(biāo)見表1，其中，GPS定位中誤差(位置差分后)由原始數(shù)據(jù)計算得出；SINS加速度計零偏和AHRS航姿誤差(無干擾磁場時)為SINS生產(chǎn)廠家提供值。

圖2中藍色和紅色曲線分別顯示了GPS定位誤差和組合系統(tǒng)的定位誤差，可以看出組合系統(tǒng)的定位精度較GPS有了較大提高。為了驗證在GPS短時間失鎖的情況下組合系統(tǒng)的定位性能，模擬GPS信號失鎖20秒。圖3顯示了GPS失鎖狀態(tài)下組合系統(tǒng)的定位誤差，緯度方向約9m，經(jīng)度方向約20m，高程方向約7m，加速度計零偏在線估計值0.012g。

表1 SINS和GPS各項精度指標(biāo)

七、結(jié)語

低成本SINSGPS組合導(dǎo)航較GPS導(dǎo)航定位誤差明顯降低，原因是慣導(dǎo)的測量信息和濾波器的作用平滑了GPS定位誤差。AHRS易受磁場干擾，航向角測量精度較低，只能在較短時間內(nèi)進行自主導(dǎo)航定位，但在GPS短時間失鎖或故障時仍然能發(fā)揮一定作用。