高精度GNSS/INS組合定位測姿系統設計及實現

智奇楠周俊李梟楠劉鵬飛馬國駒

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統設計及實現

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

組合導航；定位測姿系統；衛星導航系統；飛行器

GNSS/INS組合定位測姿系統實現了衛星導航系統與慣性導航系統的優勢互補，提高了導航系統的精度和可靠性，并且能夠輸出位置、速度、姿態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方案。

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

1 系統設計需求與現狀

測繪車GNSS/INS組合定位測姿系統是測繪車移動測量系統中的核心部件之一，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，可實現移動測繪功能。該系統提供的位置、速度、姿態和時間信息精度是各測量傳感器數據處理的時間、空間參考基準，是保證移動測量數據處理精度的基礎。測繪車移動測量系統是高精度GNSS/INS組合定位測姿系統的最典型應用場景之一，需要獲取高精度的位置、速度、姿態信息和實現高精度的時間同步；設備使用環境為城市道路環境，衛星導航信號復雜多變；系統應用不僅需要實時高精度差分處理，還需要進行事后數據處理，以獲得更高的精度。因此，從系統配置上看測繪車GNSS/INS組合定位測姿系統是最全面的。另外，在系統使用中存在以下難點：①城市道路環境衛星導航信號遮擋、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性能直接相關，提升慣性傳感器精度是系統精度保障的關鍵；③組合定位測姿系統精度高，動態條件下精度測試難度大。

移動測量系統中的GNSS/INS組合定位測姿系統目前均采用差分GNSS和INS、DMI等多導航源的集成實現，也稱為高精度POS（Position and Orientation System）系統。國外在高分辨率對地觀測需求的牽引下，高精度POS技術得到了快速發展，美國、加拿大、瑞士、德國等發達國家均已經形成了系列產品，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產品已經達到了很高的技術水平，其中NovAtel和Trimble公司產品在國內擁有較多的客戶。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，該類型組合定位系統大多采用了緊組合技術，具備高精度基準站以及數據后處理軟件，系統可以達到非常高的精度。典型高精度POS系統產品性能指標如表1所示。

2 系統組成

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統組成及系統連接關系如圖1所示。

高精度GNSS/INS組合定位測姿系統由慣性測量單元分系統、組合導航接收機分系統及組合導航數據處理軟件三部分組成。

2.1 慣性測量單元分系統

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、數據采集處理電路及必要的輔助電路。

2.2 導航接收機分系統

導航接收機分系統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、天線及數傳設備組成，可完成衛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、從天線和數傳設備組成。其中，組合導航接收機主機包括衛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測量數據，并具有捷聯慣導解算、組合導航濾波、數據存儲等功能。

表1 典型產品性能指標

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° 數據更新率200 Hz200 Hz600 Hz 處理軟件Inertial Explorer GrafNav/GrafNetApplanix POSPac MMSAEROoffice，GrafNav和BINGO30

2.3 組合導航數據處理軟件

組合導航數據處理軟件包括2部分功能：數據采集監控和數據后處理。數據采集監控部分主要用于實時采集高精度GNSS/INS組合定位測姿系統輸出的數據、監控系統的運行狀態、對系統進行參數等配置控制。數據后處理功能主要用于事后數據處理，包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。

3 工作原理

系統首先完成初始位置和姿態的獲取。GNSS接收機開機后通過天線接收北斗衛星導航系統和GPS系統衛星的信號，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，數據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初始化。

在完成位置初始化和姿態初始化之后，系統進入組合模式，在組合模式中捷聯慣導解算單元利用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信息進行數據濾波，實時修正慣導解算誤差，得到高精度位置、速度、姿態、時間信息。

實時RTK數據處理軟件可處理同一時刻基準站數據與車載流動站接收機數據，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、可靠地輸出位置、速度、姿態數據。比如靜態條件下的雙天線測姿與零速修正輔助導航數據測量；動態條件下GNSS信號無覆蓋時，里程儀、方向數據輔助慣性的測量，可提升系統可用性。

4 系統詳細設計

4.1 慣性測量單元分系統設計

慣性導航傳感器的選型直接影響系統指標，根據應用需求，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高精度的位置、速度、姿態測量。慣性測量單元分系統原理如圖2所示。

圖2 慣性測量單元分系統原理框圖

慣性測量單元分系統采用光纖陀螺作為敏感器，通過光電解調電路，將光信號轉換為數字信號，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據處理才能提供給導航系統使用。在系統整機集成完成后，需要對系統誤差和傳感器誤差參數進行標定，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，在數據采集與處理程序中對上述系統誤差進行補償后得到慣性導航傳感器測量數據。在完成載體姿態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，一方面可實現對測量信息的存儲，為數據后處理提供數據；另一方面，可生成并播發差分修正信息，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、數據處理單元和電源轉換單元等，實現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電源轉換、電平接口轉換、數據預處理、捷聯慣導解算、組合濾波、數據存儲等輔助功能。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 數傳設備

數傳設備采用移動4G數據傳輸模塊實現基準站與組合導航接收機之間的雙向通信。

4.3 組合導航數據處理軟件設計

組合導航數據處理軟件包括兩部分功能：數據采集監控和數據后處理。數據采集監控部分主要用于實時采集高精度GNSS/INS組合定位測姿系統輸出的數據、監控系統運行狀態、對系統進行參數配置控制。數據后處理功能主要用于事后數據處理，包括GNSS事后差分定位、GNSS/INS事后組合濾波等。

數據采集監控模塊由GNSS衛星仰角方位角信息顯示模塊、衛星原始觀測信息顯示模塊、衛星多普勒信噪比信息顯示模塊、衛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以及慣導原始數據存儲模塊等組成。

高精度數據后處理模塊由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前向濾波數據融合算法、GNSS/INS后向平滑數據融合算法、定位解算精度評估功能組成。

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

圖4 軟件數據流結構

5 組合定位測姿系統測試

組合定位測姿系統研制完成后，采用高精度測試基準進行動態跑車試驗驗證系統精度。將組合定位測姿系統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測量系統基準，在初始位置經過較長時間測量，獲得初始位置，完成系統初始化，然后開始進行動態測試，選取路線選擇有高低起伏的路徑，并進行環形路徑測試，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。組合定位測姿系統和高精度位置姿態測量系統采用同一個天線。組合定位測姿系統接收天線的射頻信號和BD/GPS車載動態RTK數據處理分系統提供的觀測信息，組合定位測姿系統正常定位，輸出高精度導航信息。高精度位置姿態測量系統采集慣性導航信息、衛星導航信息，并與基準站接收機測量獲得的觀測信息統一在高精度數據處理軟件中做數據融合處理，獲得高精度基準信息。與深組合系統解算的位置、速度、姿態信息進行比較，評估其性能。車載動態測試環境如圖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，保持姿態關系的相對穩定。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據用于事后處理。事后采用商業軟件Applanix POSPac計算的組合導航結果作為參考基準，評估研制的GNSS/光纖慣組組合系統精度，通過計算誤差得到位置、速度以及姿態誤差，測試實物如圖6所示，對誤差進行了統計，統計結果如表2所示，均滿足移動測繪車對位置、速度以及姿態信息的精度要求。

圖5 車載動態測試環境

圖6 測試實物圖

表2 導航精度統計表

測試方法位置精度/m速度精度/（m/s）水平姿態/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組合定位測姿系統的詳細設計，實現了高精度定位測姿，經過跑車測試驗證，系統精度可以滿足測繪車移動測量系統使用需求。該方案可以在各類航空攝影測量系統、移動測量系統、無人駕駛汽車、無人機等位置姿態測量應用領域取得廣泛應用。

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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〕