移動(dòng)測量系統(tǒng)的GNSS/INS組合定位方法的對比研究

張 迪，施 昆，李照永

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移動(dòng)測量系統(tǒng)的GNSS/INS組合定位方法的對比研究

張 迪1，施 昆1，李照永2

（1. 昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2. 昆明市城市地下空間規(guī)劃管理辦公室，云南 昆明 650011）

文章以移動(dòng)測量系統(tǒng)的GNSS與INS松緊兩種組合定位方式為研究對象，從原理與定位模型上研究了兩種組合，在此基礎(chǔ)上使用了一種新穎的移動(dòng)測量系統(tǒng)：Leica Pegasus：Backpack移動(dòng)背包測量系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)并對兩種組合進(jìn)行了實(shí)測對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：緊組合比松組合有更好的定位精度和魯棒性，在衛(wèi)星數(shù)量小于4顆的情況下，緊組合的定位精度相對于松組合在平面和天頂方向分別有30%和18%的提升；而在GNSS信號良好時(shí)松緊組合能夠達(dá)到同樣的定位精度；在運(yùn)動(dòng)載體姿態(tài)精度方面緊組合優(yōu)于松組合。

GNSS；INS；組合導(dǎo)航；松組合；緊組合

0 引言

隨著移動(dòng)測量系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其定位方法越來越多樣化，GNSS/INS組合定位方法就是其中之一。GNSS（Global Navigation Satellite System）能夠?qū)崟r(shí)提供位置、速度及時(shí)間信息，但系統(tǒng)容易受到外界條件干擾，誤差因素多，定位精度降低[1]，甚至發(fā)生定位錯(cuò)誤與飄移，采用多星座來輔助單一的GPS系統(tǒng)能夠增強(qiáng)一定的抗環(huán)擾動(dòng)能力但依然不能完全解決因外部環(huán)境因素變化而導(dǎo)致航向信息測量精度降低或定位失效等問題[2]Liu H，Nassar S，Naser E S等人研究了兩步平滑卡爾曼濾波算法在INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波相比，該算法在GPS信號受到影響時(shí)有更高的位置測量精度[2]Fakharian A Thomas G，Mehrfam M.等人綜合應(yīng)用慣性測量單元與GPS進(jìn)行導(dǎo)航，并采用一種自適應(yīng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行位置信息融合，得到了更準(zhǔn)確的路徑跟蹤效果[3]此外GNSS的定位結(jié)果輸出頻率有限，典型值大約為10 Hz，無法提供連續(xù)導(dǎo)航參數(shù)，對于動(dòng)態(tài)定中將面臨更為復(fù)雜的定位結(jié)算，不斷變換的測站位置、復(fù)雜多變的外界環(huán)境、信號失縮、周跳等問題，而INS可以對GNSS的導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行平滑彌補(bǔ)其信號的中斷，INS能夠輸出更為平滑、連續(xù)的高速率導(dǎo)航解，輸出速率高達(dá)200 Hz，能夠提供高頻率的位置、速度、姿態(tài)全導(dǎo)航解，且導(dǎo)航性能不受觀測環(huán)境的影響[6]，但I(xiàn)NS的定位誤差會(huì)隨時(shí)間的增加而累積，通?？梢岳肎NSS觀測值進(jìn)行輔助修正[7]。GNSS/INS的組合導(dǎo)航可以提供連續(xù)、高帶寬、長時(shí)和短時(shí)精度較高的、完整的導(dǎo)航參數(shù)，彌補(bǔ)了二者的不足，能夠在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行導(dǎo)航定位，更進(jìn)一步擴(kuò)展了定位技術(shù)使用范圍并且大大提高了移動(dòng)定位技術(shù)的可靠性。

GNSS/INS組合導(dǎo)航是如今的研究熱點(diǎn)，本文基于GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的兩種組合模式，推導(dǎo)了基于位置與速度的松組合算法，基于偽距和偽距率、偽距增量的緊組合算法，并使用Leica移動(dòng)掃描背包系統(tǒng)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析，對兩種組合在組合原理，定位精度，載體姿態(tài)精度和適用條件四個(gè)方面進(jìn)行了比較分析。

1 GNSS，INS定位原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 組合定位中GNNS的定位方法及模型

隨著多星座GNSS（Global Navigation Satellite System）的不斷發(fā)展，觀測衛(wèi)星的數(shù)量大大增加，相比于單星座明顯改善了衛(wèi)星的幾何分布，可觀測衛(wèi)星數(shù)量增加，定位精度提高，定位的連續(xù)性加強(qiáng)。對于高精度的GNSS定位一般使用載波相位差分定位的方法，能在短時(shí)間內(nèi)獲得厘米級定位精度[4]本文實(shí)驗(yàn)范圍基本上在10km以內(nèi)，屬于中短基線，對于中短基線的解算通常使用雙差模型[10]。

1.2 INS定位原理及模型

慣導(dǎo)系統(tǒng)INS（Inertial Navigation System）可分為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)兩大類，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（SINS）是在平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它是一種無框架系統(tǒng)，由三個(gè)速率陀螺、三個(gè)線加速度計(jì)和微型計(jì)算機(jī)組成。隨著慣性傳感器的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷成熟，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)成為現(xiàn)如今使用最為廣泛的一種慣導(dǎo)系統(tǒng)[12]。慣性測量單元IMU（Inertial Measurement Unit）是慣導(dǎo)系統(tǒng)的核心，大多數(shù)IMU包含3個(gè)加速度計(jì)和3個(gè)單自由度陀螺儀，安裝在3個(gè)正交敏感軸向上，載體在運(yùn)動(dòng)過程中通過積分運(yùn)算獲得載體的瞬時(shí)速度與瞬時(shí)位置信息。IMU原理如圖1所示。

圖1 慣性測量單元IMU原理

下面給出慣性導(dǎo)航參數(shù)更新的導(dǎo)航方程。

比力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將IMU載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到位置速度求解的坐標(biāo)系

速度更新：包含使用引力模型或重力模型將比力轉(zhuǎn)化為加速度的過程

位置更新：

2 GNSS/INS松組合導(dǎo)航原理與實(shí)現(xiàn)

在GNSS/INS松組合中，GNSS輸出的位置和速度參數(shù)信息作為測量輸入到GNSS/INS組合卡爾曼濾波器中，組合卡爾曼濾波器使用這些參數(shù)來估計(jì)INS誤差?？柭鼮V波器估計(jì)的INS誤差對INS導(dǎo)航參數(shù)信息進(jìn)行校正，進(jìn)過校正后的INS導(dǎo)航參數(shù)構(gòu)成組合導(dǎo)航輸出。原理圖如圖3所示。

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2.1 松組合系統(tǒng)狀態(tài)方程

2.2 松組合系統(tǒng)觀測方程

松組合的模型多采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與GNSS接收機(jī)輸出的位置、速度之差作為外部觀測量，觀測方程為：

3 GNSS/INS緊組合導(dǎo)航原理與實(shí)現(xiàn)

圖4 緊組合導(dǎo)航原理圖

3.1 緊組合系統(tǒng)狀態(tài)方程

緊組合中的狀態(tài)變量主要為兩部分：慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，GNSS的誤差狀態(tài)。其中前者與松組合模式一樣，其狀態(tài)方程如下

GNSS的誤差狀態(tài)，在偽距、偽距率組合系統(tǒng)中，一般取兩個(gè)與時(shí)間有關(guān)的誤差

3.2 緊組合系統(tǒng)觀測方程

基于偽距、偽距率的緊組合觀測方程如下。

4 數(shù)據(jù)采集解算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對上述理論過程進(jìn)行試驗(yàn)論證。實(shí)驗(yàn)所用瑞士萊卡公司的Leica Pegasus：Backpack移動(dòng)背包測量系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)內(nèi)置NovAtel Propack6型GNSS接收機(jī)，兼容北斗系統(tǒng)，天線類型為NovAtel GPS-704-WB，以及SPAN-IGM-S1一體式MEMS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，MEMS系統(tǒng)集成了挪威Sensonor的高精度125Hz慣性測量單元STIM300和NovAtel OEM615板卡。其他軟硬件設(shè)備還包括；南方靈銳S82-C GNSS接收機(jī)；Novatel公司開發(fā)的高精度GNSS差分及慣性定位后處理軟件Inertial Explorer 8.7；Panasonic FZ-G1平板電腦以及連接設(shè)備等。GNSS接收機(jī)和IMU的性能指標(biāo)如下表1表2 所示。

表1 NovAtel Propack6接收機(jī)主要性能參數(shù)

Tab.1 Main performance parameters of the NovAtel Propack6 receiver

表2 SPAN-IGM-S1的IMU主要性能參數(shù)

Tab.2 SPAN-IGM-S1's IMU main performance parameters

試驗(yàn)將基站架設(shè)在昆明市風(fēng)東路與白塔路交叉路口的天橋上，對空條件良好，基站靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為10:00-12:00。測試軌跡如圖6所示，運(yùn)動(dòng)方向如箭頭所示，該段測試軌跡路屬于典型的城市道路，軌跡包含對衛(wèi)星信號有挑戰(zhàn)的區(qū)域GPS時(shí)間為272310 s-272510 s（北京路部分人行道有茂密行道樹，東方向有圍墻，對衛(wèi)星信號有遮擋，紅色線段標(biāo)記）和對空條件良好的區(qū)域（東風(fēng)廣場十字路口，東風(fēng)東路，區(qū)域開闊對空條件良好，綠色線段標(biāo)記）。

圖6 載體運(yùn)動(dòng)軌跡

參數(shù)設(shè)置：衛(wèi)星高度角設(shè)置為10°，基站與背包系統(tǒng)采樣間隔均設(shè)置為1秒。慣導(dǎo)采樣間隔設(shè)置為0.008秒（125 HZ）。

數(shù)據(jù)處理使用Inertial Explorer 8.70軟件。Inertial Explorer軟件為Novatel公司開發(fā)的高精度GNSS差分及慣性定位后處理軟件，GNSS/INS后處理軟件融合來自6自由度IMU傳感器的變率數(shù)據(jù)與GNSS信息，利用IMU得到的捷聯(lián)加速度計(jì)信息與角速度信息產(chǎn)生高更新率的坐標(biāo)與姿態(tài)信息。GNSS模塊必須先運(yùn)行以便處理與在標(biāo)準(zhǔn)的Waypoint GrafNav fwd/rev/cmb文件中存儲(chǔ)最佳的位置、速度與質(zhì)量信息，IMU模塊進(jìn)行對齊、自動(dòng)整理觀測量與濾波。GPS坐標(biāo)與速度更新通過時(shí)間匹配和內(nèi)插離GPS觀測歷元最近的慣性更新數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在濾波過程中進(jìn)行傳感器偏移校準(zhǔn)。

試驗(yàn)結(jié)果得到松緊組合的姿態(tài)精度結(jié)果如圖7和圖8所示，可以看出緊組合的載體姿態(tài)精度優(yōu)于松組合，但松緊組合在起始和結(jié)束階段的姿態(tài)精度都比較差，這是由于慣導(dǎo)在起始和結(jié)束階段必須利用GNSS的軌跡進(jìn)行航向?qū)R[16]，所以在進(jìn)入測區(qū)采集數(shù)據(jù)時(shí)有必要在前后采集一段時(shí)間的GNSS/ INS數(shù)據(jù)。

圖7 松組合姿態(tài)精度

圖8 緊組合姿態(tài)精度

在對空條件良好無遮擋的開闊環(huán)境下271500 s- 271300 s，272500 s-273500 s兩段時(shí)間內(nèi)GNSS可以得到足夠精度的導(dǎo)航結(jié)果，GNSS對慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助可以達(dá)到同樣的效果，所以在對空條件良好的環(huán)境下松組合與緊組合可以達(dá)到同等水平的定位精度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在開闊環(huán)境下GNSS/INS組合定位98%精度優(yōu)于2 cm。

在272310 s-272510 s的200 s左右內(nèi)，該段道路行道樹密集，遮擋明顯，從圖9可已看出可觀測衛(wèi)星低于4顆，觀測質(zhì)量不佳，此時(shí)GNSS無法實(shí)現(xiàn)正常的速度與位置解算，在GNSS信號較差的200 s左右的時(shí)間內(nèi)GNSS對慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助效果降低，慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位誤差會(huì)有一定的增加，但松組合與緊組合的位置精度在E，N，U三個(gè)方向上始終維持0.35 m以內(nèi)。

松組合中是利用GNSS接收機(jī)輸出的位置與速度信息進(jìn)行GNSS/INS組合Kalman濾波對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，在復(fù)雜的環(huán)境中尤其是城市當(dāng)中GNSS信號中斷一分鐘以上的情況比較常見，在GNSS定位中斷的時(shí)間內(nèi)，捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)單獨(dú)工作，定位誤差會(huì)隨時(shí)間的累積而增加，圖10圖11圖12中272310 s-271800 s段所示。在組合定位中，對于精度較低的IUM，一分鐘的GNSS信號中斷就會(huì)造成很大的誤差累積。因此在觀測衛(wèi)星少于4顆的情況下，GNSS數(shù)據(jù)就不能用于對INS進(jìn)行輔助，松組合的算法對GNNS的依賴較高，但松組合的組合方式簡單，可以適用于任何INS與GNSS用戶設(shè)備，使得松組合非常適用于改進(jìn)類應(yīng)用，松組合除了可以輸出組合導(dǎo)航參數(shù)還可以獨(dú)立輸出GNSS導(dǎo)航結(jié)果，若采用INS開環(huán)校正還可以有獨(dú)立的INS輸出，可以進(jìn)行完好性監(jiān)測。

圖9 觀測衛(wèi)星數(shù)量

圖10 E方向上的位置精度誤差

圖11 N方向上的位置精度誤差

圖12 U方向上的精度誤差圖

在GNSS無法輸出位置與速度信息時(shí)，緊組合可以直接利用接收機(jī)輸出的偽距，偽距率，多普勒頻移等原始信息，不用解算出GNSS的速度與位置信息，當(dāng)沒有足夠的衛(wèi)星來計(jì)算出一個(gè)獨(dú)立的GNSS導(dǎo)航參數(shù)時(shí)，GNSS的測量數(shù)據(jù)任然可以輸入組合系統(tǒng)進(jìn)行GNSS/INS組合擴(kuò)展Kalman濾波，并用來輔助INS從而達(dá)到更好的定位精度，所以緊組合在GNSS衛(wèi)星信號遮擋嚴(yán)重時(shí)短也能在短時(shí)間內(nèi)保持一定的定位精度。從圖11圖12圖13表3表4中可以看出在衛(wèi)星遮擋環(huán)境下緊組合在E，N，U方向上的定位精度均優(yōu)于松組合，緊組合的定位精度相對于松組合在平面上和天定方向分別有30%和18%的提升所以在相同的IUM和GNSS設(shè)備的條件下，GNSS/IN緊組合通常比松組合具有更好的定位精度和魯棒性。

表3 位置精度誤差最大值/m

Tab.3 Maximum position accuracy error/m

表4 位置精度誤差的RMS統(tǒng)計(jì)值/m

Tab.4 RMS statistical value/m of position accuracy error

5 結(jié)語

經(jīng)上述研究本文得到以下結(jié)論：

（1）在組合算法上，松組合是基于位置與速度的算法，組合簡單，可適用于任何INS，GNSS設(shè)備，適合于改進(jìn)類應(yīng)用，除了組合導(dǎo)航參數(shù)的輸出還可單獨(dú)輸出GNSS導(dǎo)航結(jié)果，使用開環(huán)INS校正還有獨(dú)立的INS輸出，可以進(jìn)行完好性監(jiān)測；緊組合是基于偽距與偽距率的算法，在沒有足夠的衛(wèi)星來計(jì)算出一個(gè)獨(dú)立的GNSS導(dǎo)航參數(shù)時(shí)，GNSS的測量數(shù)據(jù)任然可以輸入組合系統(tǒng)進(jìn)行卡爾曼濾波用來輔助INS，在相同的慣導(dǎo)和GNSS設(shè)備下，緊組合通常比松組合擁有更好的精度和魯棒性；（2）在載體精度方面，緊組合優(yōu)于松組合；（3）位置精度方面，當(dāng)可觀測衛(wèi)星數(shù)量較多時(shí)松組合與緊組合的位置精度水平大致相同時(shí)，都能獲得厘米級定位精度，當(dāng)觀測衛(wèi)星少于4顆時(shí)，緊組合的位置精度優(yōu)于松組合；（4）對于測量系統(tǒng)而言緊組合適合使用于如城市復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航定位，松組合適用對空條件較好的開闊環(huán)境。組合導(dǎo)航的興起[17]今后的導(dǎo)航方式會(huì)更加多元化[18]]室內(nèi)外無縫定位技術(shù)更加成熟[19]。

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Comparative Study of GNSS/INS Combined Location Method for Mobile Measurement System

ZHANG Di1, SHI Kun1, LI Zhao-yong2

(1. School of land and resources engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming ,Yunnan 650093; 2. Kunming urban underground space planning and management office,Kunming, Yunnan 650011)

In this paper, two combinations of GNSS and INS in mobile measurement system are studied, and two combinations are studied from the principle and location model. On this basis, a novel mobile measurement system is used: the measured data of the Leica Pegasus:Backpack mobile knapsack measurement system and the measurement of the two combinations. Ratio. The experimental results show that the tight combination has better positioning accuracy and robustness than the loose combination. In the case of less than 4 satellites, the positioning precision of the tight combination is 30% and 18%, respectively, in the plane and the zenith direction, while the tight combination can reach the same positioning precision when the GNSS signal is good. The attitude accuracy of the moving carrier is better than that of the loose combination.

GNSS; INS; Integrated navigation; Loose combination; Tight combination

TP732

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.023

張迪(1993-)，男，碩士研究生，主要研究方向：3S集成及應(yīng)用；施昆(1959-)，男，教授，主要研究方向：GPS，大地量；李照永(1977-)，男，高級工程師，主要研究方向：GPS，三維激光，地下空間信息化。

本文著錄格式：張迪，施昆，李照永. 移動(dòng)測量系統(tǒng)的GNSS/INS組合定位方法的對比研究[J]. 軟件，2018，39（8）：110-116