高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

智奇楠周俊李梟楠劉鵬飛馬國駒

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

智奇楠1，2，周俊3，李梟楠1，2，劉鵬飛1，2，馬國駒1，2

（1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；3.陸軍航空兵學院陸軍航空兵研究所，北京 101121）

GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星導航系統(tǒng)與慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，提高了導航系統(tǒng)的精度和可靠性，對測繪車GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)典型設計方案進行了詳細闡述，介紹了系統(tǒng)設計需求、分機設計方案及其系統(tǒng)實現(xiàn)和測試情況，該系統(tǒng)滿足專用測繪車高精度導航應用，可作為各類GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)的方案設計參考。

組合導航；定位測姿系統(tǒng)；衛(wèi)星導航系統(tǒng)；飛行器

GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星導航系統(tǒng)與慣性導航系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，提高了導航系統(tǒng)的精度和可靠性，并且能夠輸出位置、速度、姿態(tài)和時間全維測量信息，隨著GNSS的應用普及和慣性器件成本的逐步降低，GNSS/INS組合導航系統(tǒng)顯示出巨大的應用潛力，成為各類車輛、飛行器、行人導航的一個最主要的技術實現(xiàn)方案。

本文選擇了一款典型的測繪車移動測量系統(tǒng)平臺上的定位測姿系統(tǒng)為原型詳細闡述GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)采用多天線GNSS/INS組合導航處理，配備差分基準站、數(shù)據(jù)通信鏈路以及高精度組合導航數(shù)據(jù)處理軟件，可測量測繪車的位置、速度和姿態(tài)信息，可滿足專用測繪車高精度導航應用需求。

1 系統(tǒng)設計需求與現(xiàn)狀

測繪車GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)是測繪車移動測量系統(tǒng)中的核心部件之一，與CCD相機、激光雷達、全景相機等測量傳感器結合起來，裝載在測繪車上，可實現(xiàn)移動測繪功能。該系統(tǒng)提供的位置、速度、姿態(tài)和時間信息精度是各測量傳感器數(shù)據(jù)處理的時間、空間參考基準，是保證移動測量數(shù)據(jù)處理精度的基礎。測繪車移動測量系統(tǒng)是高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)的最典型應用場景之一，需要獲取高精度的位置、速度、姿態(tài)信息和實現(xiàn)高精度的時間同步；設備使用環(huán)境為城市道路環(huán)境，衛(wèi)星導航信號復雜多變；系統(tǒng)應用不僅需要實時高精度差分處理，還需要進行事后數(shù)據(jù)處理，以獲得更高的精度。因此，從系統(tǒng)配置上看測繪車GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)是最全面的。另外，在系統(tǒng)使用中存在以下難點：①城市道路環(huán)境衛(wèi)星導航信號遮擋、衰落嚴重，對接收機性能提出了較高要求，需要接收機具備更高的捕獲速度、跟蹤靈敏度；②慣導單元是核心部件之一，其測量精度與定位測姿系統(tǒng)性能直接相關，提升慣性傳感器精度是系統(tǒng)精度保障的關鍵；③組合定位測姿系統(tǒng)精度高，動態(tài)條件下精度測試難度大。

移動測量系統(tǒng)中的GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)目前均采用差分GNSS和INS、DMI等多導航源的集成實現(xiàn)，也稱為高精度POS（Position and Orientation System）系統(tǒng)。國外在高分辨率對地觀測需求的牽引下，高精度POS技術得到了快速發(fā)展，美國、加拿大、瑞士、德國等發(fā)達國家均已經(jīng)形成了系列產(chǎn)品，并廣泛應用于高分辨率對地觀測和移動測量領域。

目前，國際上的POS產(chǎn)品已經(jīng)達到了很高的技術水平，其中NovAtel和Trimble公司產(chǎn)品在國內(nèi)擁有較多的客戶。另外，德國的IGI公司等都有應用于移動測量或者航空攝影測量的GNSS/INS組合導航系統(tǒng)，該類型組合定位系統(tǒng)大多采用了緊組合技術，具備高精度基準站以及數(shù)據(jù)后處理軟件，系統(tǒng)可以達到非常高的精度。典型高精度POS系統(tǒng)產(chǎn)品性能指標如表1所示。

2 系統(tǒng)組成

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)組成及系統(tǒng)連接關系如圖1所示。

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)由慣性測量單元分系統(tǒng)、組合導航接收機分系統(tǒng)及組合導航數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成。

2.1 慣性測量單元分系統(tǒng)

慣性測量單元主要功能是慣性信息的采集輸出以及慣性導航解算。慣性測量單元主要包括電源轉換單元、3個正交安裝的陀螺儀、3個正交安裝的加速度計、數(shù)據(jù)采集處理電路及必要的輔助電路。

2.2 導航接收機分系統(tǒng)

導航接收機分系統(tǒng)包括基準站和流動站兩部分。

基準站接收機由基準站接收機、天線及數(shù)傳設備組成，可完成衛(wèi)星導航觀測信息測量、高精度載波相位差分修正信息測量與傳輸。

流動站接收機由組合導航接收機主機、主天線、從天線和數(shù)傳設備組成。其中，組合導航接收機主機包括衛(wèi)導接收機核心板及組合導航處理板，具備雙天線定向功能，組合導航處理單元接收IMU測量數(shù)據(jù)，并具有捷聯(lián)慣導解算、組合導航濾波、數(shù)據(jù)存儲等功能。

表1 典型產(chǎn)品性能指標

廠商NovAtelTrimbleIGI mbH 設備型號SPAN-ISA-100CApplanix POS LV 610AEROcontro Compact FOG-Ⅲ GNSS有效定位精度水平1 cm，垂直2 cm XY為2 cm，Z為5 cm2 cm 航向角精度0.01°0.015°0.007° 水平角精度0.007°0.005°0.003° GNSS失鎖60 s定位精度水平4 cm，垂直3 cmXY為10 cm，Z為7 cm6 cm 航向角精度0.01°0.015°0.007° 俯仰角精度0.007°0.005°0.003° 數(shù)據(jù)更新率200 Hz200 Hz600 Hz 處理軟件Inertial Explorer GrafNav/GrafNetApplanix POSPac MMSAEROoffice，GrafNav和BINGO30

2.3 組合導航數(shù)據(jù)處理軟件

組合導航數(shù)據(jù)處理軟件包括2部分功能：數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分主要用于實時采集高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)、對系統(tǒng)進行參數(shù)等配置控制。數(shù)據(jù)后處理功能主要用于事后數(shù)據(jù)處理，包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。

3 工作原理

系統(tǒng)首先完成初始位置和姿態(tài)的獲取。GNSS接收機開機后通過天線接收北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)衛(wèi)星的信號，射頻模塊完成信號的下變頻處理，轉換為中頻信號，在基帶信號處理單元中完成基帶信號處理，獲得測距信息和導航電文解析，數(shù)據(jù)處理單元完成定位解算，獲得初始位置；利用初始位置和慣性導航傳感器測量的地球自轉角速度進行姿態(tài)初始化。

在完成位置初始化和姿態(tài)初始化之后，系統(tǒng)進入組合模式，在組合模式中捷聯(lián)慣導解算單元利用IMU測量的載體角速度和比力信息，得到慣性導航解。GNSS基帶信號處理單元利用中頻信號與本地生成的碼和載波進行相關累積或非相關累積，得到基帶I、Q信號，通過環(huán)路跟蹤控制獲得偽距、偽距率的測量信息，組合處理單元利用偽距偽距率測量信息以及慣性導航解算的位置速度姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)濾波，實時修正慣導解算誤差，得到高精度位置、速度、姿態(tài)、時間信息。

實時RTK數(shù)據(jù)處理軟件可處理同一時刻基準站數(shù)據(jù)與車載流動站接收機數(shù)據(jù)，通過差分操作消除測量誤差并進行定位解算。實時RTK技術的關鍵是車載接收機在運動狀態(tài)下確定整周模糊度，實時RTK技術能夠達到厘米級的定位水平。

通過里程計和雙天線測姿等輔助定位方法保障在惡劣條件下連續(xù)、可靠地輸出位置、速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)。比如靜態(tài)條件下的雙天線測姿與零速修正輔助導航數(shù)據(jù)測量；動態(tài)條件下GNSS信號無覆蓋時，里程儀、方向數(shù)據(jù)輔助慣性的測量，可提升系統(tǒng)可用性。

4 系統(tǒng)詳細設計

4.1 慣性測量單元分系統(tǒng)設計

慣性導航傳感器的選型直接影響系統(tǒng)指標，根據(jù)應用需求，采用光纖陀螺作為角速率傳感器，采用石英加速度計作為加速度傳感器，通過組合濾波技術可以實現(xiàn)高精度的位置、速度、姿態(tài)測量。慣性測量單元分系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 慣性測量單元分系統(tǒng)原理框圖

慣性測量單元分系統(tǒng)采用光纖陀螺作為敏感器，通過光電解調(diào)電路，將光信號轉換為數(shù)字信號，輸出角增量，通過串口通訊提供給導航計算機電路，經(jīng)過溫度補償后進行對外輸出。石英撓性加速度計是單自由度的閉環(huán)式撓性機械擺式加速度計，當沿加速度計的輸入軸有加速度作用時，差動電容傳感器的電容值發(fā)生變化。伺服電路檢測到這一變化，并把它變換成相應的輸出電流，該電流的大小與輸入加速度成正比。信號采集電路中首先對三路加速度計電流輸入信號進行I/V變換，采用精密電阻對加速度計電流信號進行采集。

陀螺儀測量的角速率信息和加速度計測量的加速度信息需要通過數(shù)據(jù)處理才能提供給導航系統(tǒng)使用。在系統(tǒng)整機集成完成后，需要對系統(tǒng)誤差和傳感器誤差參數(shù)進行標定，可通過實驗室標定，從而獲得陀螺加表零偏、比例因子、交叉耦合以及溫度誤差系數(shù)，在數(shù)據(jù)采集與處理程序中對上述系統(tǒng)誤差進行補償后得到慣性導航傳感器測量數(shù)據(jù)。在完成載體姿態(tài)變化和速度變化信息測量和補償之后，對外輸出慣性測量信息。

4.2 導航接收機分系統(tǒng)設計

4.2.1 基準站接收機及天線

基準站接收機天線采用扼流圈天線，能夠接收北斗/GPS衛(wèi)星信號，生成高精度觀測值，包括偽距測量值、載波相位觀測值以及信號載噪比等，一方面可實現(xiàn)對測量信息的存儲，為數(shù)據(jù)后處理提供數(shù)據(jù)；另一方面，可生成并播發(fā)差分修正信息，輔助組合導航接收機獲得高精度導航結果。

4.2.2 流動站接收機

流動站接收機由組合導航接收機主機、主天線、從天線和數(shù)傳設備組成。其中，組合導航接收機主機采用組合導航處理板+接收機核心板的實現(xiàn)方式。接收機核心板卡采用模塊化設計，主要包括射頻單元、基帶信號處理單元、數(shù)據(jù)處理單元和電源轉換單元等，實現(xiàn)GNSS信號接收、定位解算、RTK差分處理等功能。組合導航處理板主要實現(xiàn)電源轉換、電平接口轉換、數(shù)據(jù)預處理、捷聯(lián)慣導解算、組合濾波、數(shù)據(jù)存儲等輔助功能。組合導航接收機硬機組成如圖3所示。

圖3 組合導航接收機硬機組成

4.2.3 數(shù)傳設備

數(shù)傳設備采用移動4G數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)基準站與組合導航接收機之間的雙向通信。

4.3 組合導航數(shù)據(jù)處理軟件設計

組合導航數(shù)據(jù)處理軟件包括兩部分功能：數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和數(shù)據(jù)后處理。數(shù)據(jù)采集監(jiān)控部分主要用于實時采集高精度GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)、監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)、對系統(tǒng)進行參數(shù)配置控制。數(shù)據(jù)后處理功能主要用于事后數(shù)據(jù)處理，包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控模塊由GNSS衛(wèi)星仰角方位角信息顯示模塊、衛(wèi)星原始觀測信息顯示模塊、衛(wèi)星多普勒信噪比信息顯示模塊、衛(wèi)星偽距殘余誤差信息顯示模塊、陀螺、加速度計原始輸出波形顯示模塊、GNSS以及慣導原始數(shù)據(jù)存儲模塊等組成。

高精度數(shù)據(jù)后處理模塊由GPS/BDS多模RTK定位解算模塊、GPS/BDS多模單點定位解算模塊、GPS/BDS偽距差分以及DGNSS定位解算模塊、純慣性導航定位測姿解算模塊、GNSS/INS前向濾波數(shù)據(jù)融合算法、GNSS/INS后向平滑數(shù)據(jù)融合算法、定位解算精度評估功能組成。

軟件數(shù)據(jù)流如圖4所示，實時測量過程中軟件通過串口實時接收顯示衛(wèi)導和慣導的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集結束后，軟件能夠對數(shù)據(jù)進行格式轉換以及后處理，輸出高精度的位置、速度、姿態(tài)信息。

圖4 軟件數(shù)據(jù)流結構

5 組合定位測姿系統(tǒng)測試

組合定位測姿系統(tǒng)研制完成后，采用高精度測試基準進行動態(tài)跑車試驗驗證系統(tǒng)精度。將組合定位測姿系統(tǒng)固定安裝在測試車中，天線置于車頂，增加高精度的位置姿態(tài)測量系統(tǒng)基準，在初始位置經(jīng)過較長時間測量，獲得初始位置，完成系統(tǒng)初始化，然后開始進行動態(tài)測試，選取路線選擇有高低起伏的路徑，并進行環(huán)形路徑測試，整個路徑起始位置和結束位置形成閉合路徑，可以更加直觀地驗證定位精度。組合定位測姿系統(tǒng)和高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)采用同一個天線。組合定位測姿系統(tǒng)接收天線的射頻信號和BD/GPS車載動態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)提供的觀測信息，組合定位測姿系統(tǒng)正常定位，輸出高精度導航信息。高精度位置姿態(tài)測量系統(tǒng)采集慣性導航信息、衛(wèi)星導航信息，并與基準站接收機測量獲得的觀測信息統(tǒng)一在高精度數(shù)據(jù)處理軟件中做數(shù)據(jù)融合處理，獲得高精度基準信息。與深組合系統(tǒng)解算的位置、速度、姿態(tài)信息進行比較，評估其性能。車載動態(tài)測試環(huán)境如圖5所示。

為了驗證高精度組合測姿算法的正確性，進行了實際的跑車測試實驗，跑車運行過程中搭載了高精度的激光慣導作為參考，兩個慣導通過轉接板進行牢固連接，保持姿態(tài)關系的相對穩(wěn)定。跑車試驗前架設基準站，跑車過程中同時保存基準站和流動站的原始數(shù)據(jù)用于事后處理。事后采用商業(yè)軟件Applanix POSPac計算的組合導航結果作為參考基準，評估研制的GNSS/光纖慣組組合系統(tǒng)精度，通過計算誤差得到位置、速度以及姿態(tài)誤差，測試實物如圖6所示，對誤差進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表2所示，均滿足移動測繪車對位置、速度以及姿態(tài)信息的精度要求。

圖5 車載動態(tài)測試環(huán)境

圖6 測試實物圖

表2 導航精度統(tǒng)計表

測試方法位置精度/m速度精度/（m/s）水平姿態(tài)/方位角/deg 實時導航過程（單點定位組合）1.440 30.0310.008/0.035 后處理0.040.0050.005/0.020

6 結束語

通過對GNSS/INS組合定位測姿系統(tǒng)的詳細設計，實現(xiàn)了高精度定位測姿，經(jīng)過跑車測試驗證，系統(tǒng)精度可以滿足測繪車移動測量系統(tǒng)使用需求。該方案可以在各類航空攝影測量系統(tǒng)、移動測量系統(tǒng)、無人駕駛汽車、無人機等位置姿態(tài)測量應用領域取得廣泛應用。

［1］王新龍.SINS/GPS組合導航技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2014.

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［3］馬國駒，蔚保國，智奇楠.高精度組合導航及其測繪車應用技術［J］.測繪科學，2015（12）：144-148，152.

［4］王立兵，馬國駒，賈瑞才.GNSS/INS高精度反向平滑濾波算法在移動測圖中的應用［J］.兵器裝備工程學報，2019（3）：112-115.

［5］李梟楠，智奇楠，劉鵬飛.基于載波相位測量的多天線GNSS/INS組合測姿方法［G］//中國衛(wèi)星導航學術年會組委會會議論文集.上海：第八屆中國衛(wèi)星導航學術年會，2017：107-108.

TN96

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.018

2095－6835（2019）17－0042－04

智奇楠（1983—），男，主要研究方向為組合導航技術。

〔編輯：張思楠〕