低成本GNSS/INS組合導航系統探討

梁 健，韓彥嶺，于文浩，張 云

低成本GNSS/INS組合導航系統探討

梁 健，韓彥嶺，于文浩，張 云

（上海海洋大學 信息學院，上海 201306）

為了解決校內環衛掃地車廉價的導航定位問題，提出了低成本全球衛星導航系統（GNSS）與慣性導航系統（INS）組合導航系統方案：利用單頻實時動態載波相位差分（RTK）技術在GNSS信號良好情況下反演得到速度和方位信息，對廉價INS輸出數據進行閉環修正，減小INS輸出數據的誤差，而在衛星信號無法接收或信號被遮擋時，通過航位推算算法將誤差模型修正后的廉價INS輸出的航向角和加速度進行積分計算得到位置和方位角，從而保證組合導航系統的穩定運行。實驗結果表明該方法有較為準確的定位精度和可靠的穩定性，滿足了低勻速環境下的車輛導航定位的需求。

組合導航；實時定位；閉環修正；單頻載波

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）與慣性導航系統（inertial navigation system, INS）組合導航系統既擁有GNSS能迅速、準確、全天候地提供定位導航信息和INS能完全自主導航定位的優勢，同時可以彌補GNSS在城市高樓區、林蔭道等區域常常失效和INS累積誤差等不足[1]。隨著位置信息服務的應用不斷擴展，一些低勻速場所對于低成本高精度的組合導航的需求也在不斷上升，例如工業園區的垃圾車、校園的掃地車等。

許多國內外學者和科研機構非常關注GNSS/INS組合導航系統研究[2-3]。文獻[4]提出了一種基于慣性測量單元（inertial measurement unit, IMU）的矢量跟蹤的超緊的GNSS/INS組合導航系統，通過對多普勒頻移的估計和補償，實現對每顆衛星的捕獲和跟蹤，以實現高動態應用的跟蹤和導航；文獻[5]分析了GNSS/INS的松組合和緊組合模式，使用了附加航向角、速度和高度限制條件的24個狀態的卡爾曼濾波算法，實現了GNSS失效時長60 s條件下的持續導航能力；文獻[6]分析了松組合和緊組合的GNSS/INS方案的性能，并評估了在市中心環境下該方案的定位性能；文獻[7]提出了迭代容積的卡爾曼濾波算法，分析了不同線性情況對GNSS/INS組合導航系統濾波影響，并驗證了該濾波器的有效性。綜上所述，GNSS/INS組合導航系統應用越來越重要，但以上國內外的研究成果主要集中在價格比較昂貴的組合導航上。為了降低組合導航系統的成本，文獻[8]提出了基于離群抗性模糊度解析的卡爾曼濾波算法的緊組合的廉價單頻GNSS/微機電系統慣性測量元件（micro-electro-mechanical system inertial measurement unit, MEMS-IMU）的實時動態載波相位差分（real-time kinematic, RTK）技術方案，證明其在市中心復雜環境下，可以實現高精度動態導航定位且其結果好于雙頻段的GNSS RTK技術；文獻[9]提出了擁有強穩模糊度解算的廉價單頻全球定位系統（global positioning system, GPS）、中國北斗衛星導航系統（beidou navigation satellite system, BDS）與MEMS-IMU的緊組合方案，證實了其有好的定位精度和可靠性；文獻[10]加入日本準天頂衛星系統（quasi-zenith satellite system, QZSS)形成了廉價單頻的GPS/BDS/ QZSS/MEMS-IMU的緊組合方案并將其推廣到自動駕駛領域，該方案可以提供穩定、可靠的定位性能。

基于本團隊的研究基礎[11]，本文提出了基于航位推算的低成本GNSS/INS組合導航系統。

本文使用了市場價格低于10美元的HG_INS慣性模塊和廉價的U-blox衛星導航定位模塊。首先，為了提高GNSS定位的精度，設計了廉價單頻雙模（GPS/BDS）RTK定位算法。其次，由于低成本的HG_INS輸出的數據精度不高，通過GNSS信號良好情況下反演得到速度和方位信息對HG_INS的輸出數據進行閉環修正，減小其輸出數據的誤差，從而在GNSS信號缺失的情況下，使用修正后的HG_INS輸出數據實現組合導航系統持續導航定位的功能。

1 組合導航系統原理

1.1 單頻載波組合定位模型

本文使用單頻雙模的U-blox導航芯片，并進行了動態RTK定位研究。相對于普通的測量型GNSS模塊，單頻GNSS模塊的載波輸出精度不夠，同時電離層對于單頻RTK的影響較大，因此本文設計了基于載波卡爾曼濾波以及最小二乘降相關分解法（least-square ambiguity decorrelation adjustment, LAMBDA）的整周模糊度解算的方法，實現廉價GNSS模塊的動態RTK定位。

1.1.1 觀測方程差分

大氣誤差、衛星時鐘誤差和接收機時鐘誤差都可經過雙差運算進行大幅度減弱，簡化后觀測方程為

求解RTK定位的參數向量為

式中表示在空間直角坐標系中移動站的位置坐標。第個歷元的雙差載波相位和偽距觀測值的向量為

1.1.2卡爾曼濾波求解

1.1.3 LAMBDA算法模糊度求解

多數的整周模糊度求解思路就是求解整數最小二乘問題，即將目標函數最小化。本文使用了具有較完善的理論及優越性能的LAMBDA算法，其關鍵是整周模糊度搜索和Z變換。

目標函數為

1.2 廉價GNSS/INS組合導航定位

1.2.1 廉價GNSS/INS組合導航定位模型

由于采用了廉價INS模塊，因此本文采用了松組合的GNSS/INS組合導航定位方式。本系統使用的廉價INS元器件存在著較大的偏差，不能夠直接利用在位置解算上。因此本文提出了利用GNSS正常解算情況下反演得到的速度和方位信息對于INS進行閉環修正，得到INS輸出誤差模型，而在衛星信號無法接收或信號被遮擋時，可以通過航位推算算法，利用誤差模型修正后的廉價INS輸出的航向角和加速度進行積分計算得到位置和方位角。松組合模型[12]為

1.2.2 航位推算算法

當GNSS信號缺失時，將INS輸出的加速度和航向角通過航位推算算法計算出位置，保證組合導航系統繼續工作。

1.3 數據處理流程

本實驗的數據流程主要分為3個階段，即初始準備階段、單個U-blox定位階段和利用HG_INS模塊+U-blox模塊組合定位階段，如圖1所示。

1）首先，將U-blox模塊和HG_INS模塊的數據依據HG_INS模塊的初始時間戳進行同步，其次，將U-blox模塊連接千尋網絡（continuously operating reference stations, CORS），實現U-blox的動態RTK定位解算。

2）然后，判斷U-blox模塊的定位結果是否有效，如果U-blox定位有效，使用U-blox定位模塊的位置數據作為組合系統的輸出位置；同時，利用U-blox模塊的航向角和速度信息，對INS的輸出信息進行閉環修正，得到INS輸出誤差模型。

3）如果U-blox定位無效，對INS誤差模型修正后的輸出數據進行航位推算計算出位置，并作為組合系統的輸出位置。

圖1 低成本組合導航系統數據處理流程

2 實驗與結果分析

本文選擇廉價的HG_INS模塊和U-blox模塊，在上海海洋大學臨港校區內實施了試驗。本文研究的目的是組合導航系統的定位精度和可靠性分析，因此本文沒有使用高精度的慣性導航設備進行航向的比較，使用了Novatel的結果作為基準進行了精度比較；HG_INS的初始航向角通過動態U-blox定位結果進行匹配確定。

2.1 實驗器材

本次實驗選擇市場價格低于10美元的MPU-6050組件的HG_INS的開發板作為實驗器材，HG_INS是一款采樣頻率100 Hz的6軸的慣性傳感器，包含3軸的加速度計和3軸的陀螺儀，如圖2所示。表1介紹了HG_INS基本參數。

圖2 HG_INS開發板

表1 HG_INS基本參數

U-blox-M8是一款能跟蹤GNSS單頻廉價導航級芯片，同時支持基于網絡基站的動態RTK定位，使其擁有較高的定位精度。此模塊廣泛應用于汽車導航等交通運輸領域，通過結合HG_INS模塊以實現GNSS/INS組合導航，進一步提高定位的精度和穩定性。

本實驗以Novatel OEM6接收機的定位結果作為標準參考數據。U-blox模塊及Novatel接收機如圖3所示。表2為Novatel接收機和U-blox導航模塊的基本參數。實驗中，U-blox模塊連接方塊天線并采取采樣頻率10 Hz的單頻雙模模式（GPS的L1頻段和BDS的B1頻段），Novatel接收機連接配套的Novatel天線并采用采樣頻率10 Hz單模雙頻模式（GPS的L1頻段和L2頻段）（如圖4所示）。

圖3 Novatel OEM6接收機(左)和廉價U-blox模塊(右)

圖4 Novatel天線(左)和廉價方塊天線(右)

表2 接收機基本參數

2.2 實驗場所

表3介紹了2次汽車試驗時間段以及試驗場地，試驗場地是上海海洋大學臨港校區內元鼎路,第1圈時長410 s，第2圈時長310 s。

表3 實驗場地介紹

由于校內GNSS信號較好，即U-blox模塊及Novatel接收機都沒有出現長時間的GNSS信號缺失，因此本文特意設置U-blox較長時間段信號缺失情況(如表4所示），以研究低成本組合導航系統的定位精度和可靠性。在U-blox缺省時間內，可以利用Novatel的位置作為精度比較基準。

表4 U-blox信號缺失表

2.3 實驗流程

汽車實地實驗流程如圖5所示，總共包含4個部分：①在汽車頂上固定好HG_INS模塊、U-blox天線和Novatel天線，并將U-blox天線和Novatel天線與各自定位設備連接，然后統一連接到筆記本電腦上；②調試各個設備軟件，并進行初始化，然后設置U-blox定位模式為RTK模式；③收集HG_INS模塊、U-blox和Novatel的數據；④判斷U-blox數據有效性，實現低成本組合導航系統定位。

圖5 實驗流程

2.4 結果分析

本文通過2次汽車試驗獲得了低成本GNSS/ INS組合導航系統實測數據，汽車實際行駛速度在30~40 km/h范圍內，構建了低成本GNSS/INS組合導航系統的模型，并對組合系統的速度、航向角和位置進行了分析。

2.4.1 速度分析

圖6和圖7中顯示了基于航位推算算法的低成本的GNSS/INS組合導航系統和Novatel的參考導航系統的東向速度和北向速度對比圖。從圖6和圖7中可以看出本文設置第1圈試驗的U-blox缺失時間最長時間段在292~334 s之間共43 s，此時與參考系統比較出現了在東向和北向上較大的速度誤差，東向最大速度誤差為4.1 m/s，北向最大速度誤差為3.5 m/s，其他時間段衛星信號缺失時間小于20 s，東向平均速度誤差0.4 m/s，北向平均速度誤差0.3 m/s。

圖6 第1圈組合導航系統和參考系統東向速度對比

圖7 第1圈組合導航系統和參考系統北向速度對比

圖8和圖9中可以看出本文設置第2圈試驗的U-blox缺失時間最長時間段在200~245 s之間共46 s，此時與參考系統比較出現了在東向最大速度誤差為16.3 m/s，北向最大速度誤差為7.1 m/s，其他時間段衛星信號缺失時間小于20 s，東向平均速度誤差0.5 m/s，北向平均速度誤差0.3 m/s。由于第2圈汽車在最大時長衛星信號缺失時速度比第1圈大，所以導致第2圈的速度誤差比較大，其他缺失時間段誤差比較小。本文利用GNSS信號良好情況下反演得到速度信息，對HG_INS的輸出加速度進行閉環修正，減小了HG_INS的輸出加速度的誤差，保證了低成本的GNSS/INS組合導航擁有較高精度的速度。

圖8 第2圈組合導航系統和參考系統東向速度對比

圖9 第2圈組合導航系統和參考系統北向速度對比

2.4.2 航向角分析

圖10為第1圈組合導航系統和參考系統的航向角對比。從圖中可知45 s之前，組合導航系統的航向角上下波動誤差為68.8°，之后2者航向角誤差均值為2.6°。圖11為第2圈組合導航系統和參考系統的航向角對比。從圖中可知44 s之前，組合導航系統的航向角上下波動誤差為91.5°，之后組合導航系統和參考系統的航向角誤差均值為2.6°。組合導航系統的航向角需要通過大概50 s時間實現組合導航系統的航向角匹配，匹配后航向角可以收斂在3°以內。本文利用GNSS信號良好情況下反演得到方位角信息，對HG_INS的輸出航向角進行閉環修正，減小了HG_INS的輸出航向角的誤差，保證了GNSS/INS組合導航擁有較高精度航向角。

圖10 第1圈組合導航系統和參考系統的航向角對比

圖11 第2圈組合導航系統和參考系統的航向角對比

2.4.3 位置分析

第1圈組合導航系統和參考系統軌跡對比如圖12所示。根據速度和航向角計算，組合導航系統與參考系統的軌跡位置最大誤差34.2 m，其他20 s以內衛星信號缺失，組合導航系統與參考系統的軌跡位置平均誤差為2.5 m（如圖13所示）。第2圈組合導航系統和參考系統軌跡對比如圖14所示，其中組合導航系統與參考系統的軌跡位置最大誤差102.1 m，其他20 s以內衛星信號缺失，組合導航系統與參考系統的軌跡位置平均誤差為3.3 m（如圖15所示）。

圖12 第1圈組合導航系統和參考系統軌跡對比

圖13 第1圈組合導航系統和參考系統軌跡位置誤差

圖15 第2圈組合導航系統和參考系統軌跡位置誤差

因此，當衛星信號缺失時，GNSS無法使用，而此刻利用經過誤差模型修正后的廉價INS_HG輸出的加速度和航向角進行積分計算得到位置和航向角，彌補衛星信號缺失的不足，保證導航系統可以繼續保持穩定運行，并且獲得可靠性。組合導航系統與參考系統的試驗位置、速度和航向角的誤差表，如表5所示。

表5 2次試驗誤差結果表

3 結束語

本文提出了基于航位推算的低成本GNSS/ INS組合導航系統，利用廉價單頻RTK技術的U-blox模塊以及衛星信號良好情況下的GNSS的速度和方位角信息修正HG_INS方法，并通過實地汽車試驗獲取實測數據，分析了此組合導航系統的定位精度，其中設置U-blox系統2次出現最長的信號丟失時間分別是43和46 s，導致位置誤差分別為34.1和102.1 m。其他少于20 s的衛星信號缺失時段，組合導航的位置平均誤差分別只有2.5和3.3 m。此方法可有效解決GNSS系統出現短時間信號丟失情況無法定位的缺點。通過實驗證明了本文提出的組合導航系統的有效性和穩定性。校園道路狀況簡單，車輛處于近低勻速，達到了較好的定位效果；在接下來的工作中，將對高變速的情況進行研究，提高此組合導航的適用范圍。

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Discussion on low-cost GNSS/INS integrated navigation system

LIANG Jian , HAN Yanling, YU Wenhao, ZHANG Yun

（Information and Technology College, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China）

In order to further study on the integrated navigation and positioning technology with low cost and high precision, the paper proposed a low-cost GNSS/INS integrated navigation system scheme: the single-frequency RTK technology was used to retrieve the velocity and azimuth information under the condition of good GNSS signal, and the output data of low-cost INS was closed-loop corrected for reducing the error of INS output data; when the satellite signal could not be received or the signal was occluded, the position and azimuth angle were obtained by integrating the course angle and acceleration output from the low-cost INS corrected by error model with the dead reckoning algorithm, so as to ensure the stable operation of the integrated navigation system. Experimental result showed that the method would have good positioning accuracy and reliable stability, which could meet the needs of vehicle navigation and positioning under low uniform speed environment.

integrated navigation; real-time positioning; closed-loop correction; single-frequency carrier

P228

A

2095-4999(2019)04-0110-08

梁健，韓彥嶺，于文浩，等.低成本GNSS/INS組合導航系統探討[J].導航定位學報,2019,7(4): 110-117.（LIANG Jian, HAN Yanling, YU Wenhao,et al. Discussion on low-cost GNSS/INS integrated navigation system[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 110-117.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190420.

2018-10-15

梁健（1992—），男，江蘇淮安人，碩士生，研究方向為廉價GNSS/INS組合導航。

張云（1974—），男，上海人，博士，教授，研究方向為GNSS定位導航和GNSS-R技術。