鐘振 王祥

摘 ?要：GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，利用衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和慣性導(dǎo)航短時(shí)間精度高的特點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)的高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)。對(duì)GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，RTK實(shí)時(shí)差分定位因其使用方便而在應(yīng)用上有巨大優(yōu)勢(shì)，基于RTK的GNSS/INS組合導(dǎo)航原理設(shè)計(jì)一套低成本、高精度的實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。并將該導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)載高光譜集成應(yīng)用，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)提供高精度的位置和姿態(tài)信息，能夠滿足機(jī)載等移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：GNSS;INS;RTK;導(dǎo)航

中圖分類號(hào)：TP311;TP391.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）12-0072-04

Abstract： The GNSS/INS integrated navigation system is a high-precision integrated navigation system that organically combines the satellite navigation system and the inertial navigation system， and takes advantage of the good long-term stability of satellite navigation and the high short-term precision of inertial navigation. The GNSS/INS integrated navigation system is studied. RTK real-time differential positioning has great advantages in application due to its convenient use. Based on the GNSS/INS integrated navigation principle of RTK， a set of low-cost and high-precision real-time integrated navigation system is designed. The integrated application of the navigation system and airborne hyperspectral， experimental results show that the system can provide high-precision position and attitude information in real time， and can meet the application requirements of airborne and other mobile measurement systems.

Keywords： GNSS; INS; RTK; navigation

0 ?引 ?言

導(dǎo)航技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展出現(xiàn)了多種的導(dǎo)航系統(tǒng)，例如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System， INS）、地磁導(dǎo)航、天體導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航等[1-3]。雖然導(dǎo)航系統(tǒng)眾多，但是由于單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)都存在不可避免的短板，導(dǎo)致單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)在穩(wěn)定性和精度上存在瓶頸，而組合導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)組合兩種或者兩種以上的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以突破單個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，大大提高了穩(wěn)定性和精度[4-6]。在眾多組合導(dǎo)航中，GNSS/INS組合導(dǎo)航因其導(dǎo)航效果好、適用范圍廣而被認(rèn)為是最佳的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。早期組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用都是采用國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，例如有加拿大Novatel公司的span系列、美國(guó)Trimble公司的APX系列、法國(guó)SBG公司的Ellipse系列。近幾年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、無(wú)人駕駛等行業(yè)的快速發(fā)展，GNSS/INS組合導(dǎo)航的使用越來(lái)越廣泛，各行業(yè)對(duì)組合導(dǎo)航產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，對(duì)成本也越來(lái)越敏感。進(jìn)口產(chǎn)品因成本過(guò)高漸漸被放棄使用，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)、院校和科研機(jī)構(gòu)也投入GNSS/INS組合導(dǎo)航研究[7-9]。

GNSS可以通過(guò)差分定位來(lái)提供厘米級(jí)別的高精度定位，包括RTK實(shí)時(shí)差分定位和PPK事后差分定位兩種定位技術(shù)。RTK能夠?qū)崟r(shí)輸出高精度的定位信息相對(duì)PPK使用更加方便，因此對(duì)于機(jī)載、車載、機(jī)器人等實(shí)時(shí)性要求高的系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)。本公司對(duì)基于RTK的GNSS/INS實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一套低成本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并將其應(yīng)用在高光譜，通過(guò)試驗(yàn)證明該組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供高精度的位置和姿態(tài)，能夠滿足機(jī)載等移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

1 ?GNSS/INS實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航原理

GNSS可以提供高精度的導(dǎo)航輸出，誤差不隨時(shí)間積累。但是衛(wèi)星信號(hào)容易受到遮擋和干擾，不能輸出姿態(tài)信息，且輸出頻率比較低。INS以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間積分推算出導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、姿態(tài)角位置等信息。INS導(dǎo)航有不依賴外部信息的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)誤差隨著時(shí)間積分越來(lái)越大。GNSS/INS組合導(dǎo)航將兩種導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)地組合起來(lái)，前者長(zhǎng)期穩(wěn)定性差但短期穩(wěn)定性好，而后者剛好相反，兩者在誤差傳播方面正好是互補(bǔ)的，從而提高導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能。

常用的組合導(dǎo)航有松耦合和緊耦合兩種，松耦合利用INS和GNSS的位置和速度信息進(jìn)行組合，GNSS獨(dú)立與慣導(dǎo)系統(tǒng)，使用GNSS的位置和速度作為觀測(cè)量輸入，對(duì)INS系統(tǒng)進(jìn)行校正從而得到高精度導(dǎo)航信息。緊耦合比松耦合復(fù)雜，GNSS不再獨(dú)立工作，GNSS定位系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)一起計(jì)算偽距和偽距率，GNSS與INS相互校正，可以獲取更高精度的導(dǎo)航信息。但是緊耦合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，在實(shí)際工程中使用較少，大部分工程實(shí)際還是使用松耦合。

本文基于RTK實(shí)現(xiàn)松耦合的GNSS/INS實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航，如圖1所示。RTK實(shí)時(shí)輸出位置和速度參數(shù)給到組合卡爾曼濾波器，組合卡爾曼濾波器估計(jì)INS誤差。估算出來(lái)的INS誤差，對(duì)INS導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行校正，校正后的INS導(dǎo)航參數(shù)輸出高精度的位置和姿態(tài)。

2 ?GNSS/INS實(shí)時(shí)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?組合導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

GNSS/INS組合導(dǎo)航硬件系統(tǒng)主要由GNSS定位板卡、低成本MEMS IMU、控制系統(tǒng)和4G通信模塊四個(gè)部分組成。GNSS定位板卡選取Novatel OEM718D，555跟蹤通道，支持GPS/GLONASS/BEIDOU全系統(tǒng)多頻信號(hào)接收，20 Hz數(shù)據(jù)更新速率，串口/USB多種接口通信，OEM718定位性能優(yōu)越能夠滿足RTK高精度定位要求。IMU選取低成本的ADIS 16477，包括一個(gè)三軸的陀螺儀和一個(gè)三軸的加速計(jì)，零偏穩(wěn)定性2°/hr。ADIS 16477價(jià)格便宜整體性價(jià)比高，滿足項(xiàng)目低成本需求?？刂破脚_(tái)選取Freescalei.MX6Q處理器，Cortex-A9四核、主頻1 GHz、內(nèi)存2 GB、存儲(chǔ)16 GB，能夠滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和導(dǎo)航算法處理速度的要求。4G模塊采用移遠(yuǎn)的通信模塊，主要用來(lái)獲取實(shí)時(shí)差分校正信息。

2.2 ?組合導(dǎo)航系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)功能主要包括GNSS與IMU的時(shí)間同步和組合導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)嵌入式ARM Linux平臺(tái)，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C/C++。

2.2.1 ?IMU數(shù)據(jù)獲取和時(shí)間同步

IMU原始數(shù)據(jù)通過(guò)硬件SPI接口直接獲取，但I(xiàn)MU原始數(shù)據(jù)沒(méi)有時(shí)間信息需要進(jìn)行時(shí)間同步。時(shí)間同步具體實(shí)現(xiàn)方法：（1）接收GNSS定位板卡的PPS信號(hào)，PPS信號(hào)上升沿代表整秒到來(lái)，捕捉到上升進(jìn)行標(biāo)記。（2）接收GNSS定位板的GPRMC語(yǔ)句，并進(jìn)行解析獲得UTC時(shí)間。（3）根據(jù)標(biāo)記和獲得UTC時(shí)間對(duì)IMU數(shù)據(jù)標(biāo)記時(shí)間戳，完成IMU與RTK數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。

2.2.2 ?組合導(dǎo)航算法實(shí)現(xiàn)

算法整體流程如圖2所示，首先獲取IMU的原始數(shù)據(jù)，其次進(jìn)行INS導(dǎo)航更新，然后將INS輸入的位置、姿態(tài)、速度和RTK輸入的位置和速度進(jìn)行卡爾曼濾波獲得位置、姿態(tài)和速度的誤差，最后通過(guò)獲得誤差修正INS輸出的位置、姿態(tài)和速度。

2.2.2.1 ?INS導(dǎo)航更新

INS導(dǎo)航涉及多個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，常用的坐標(biāo)系有4個(gè)：（1）地心慣性坐標(biāo)系（ECI），是以地球質(zhì)心為中心，以地球自轉(zhuǎn)軸和恒星方向?yàn)樽鴺?biāo)軸的坐標(biāo)系。慣性測(cè)量值（角速度、比力）以此坐標(biāo)系為參考系，符號(hào)i表示。（2）地心地固坐標(biāo)系（ECEF）以地球質(zhì)心為中心，z軸沿著地球自轉(zhuǎn)軸從地心指向北極點(diǎn)（真極點(diǎn)，不是磁極點(diǎn)），x軸從地心指向赤道與零度子午線的交點(diǎn)，y軸由右手準(zhǔn)則定義，符號(hào)e表示。（3）當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系（Local Navigation frame）原點(diǎn)是由導(dǎo)航結(jié)果所描述的對(duì)象，可能是導(dǎo)航系統(tǒng)自身的一點(diǎn)、載體或用戶的質(zhì)心等。（4）北東地（X-N，Y-E，Z-D）是當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系中最常用的軸系順序，軸系滿足右手準(zhǔn)則，符號(hào)n表示;載體坐標(biāo)系通常定義x軸為前向（即正常航行的方向），z軸為地向（即向下方向），y軸為右向，并由三個(gè)坐標(biāo)軸組成正交坐標(biāo)系，符號(hào)b表示。

INS的導(dǎo)航更新包含姿態(tài)更新、速度更新和位置更新，本文INS更新是在ECEF坐標(biāo)系下。姿態(tài)更新：利用陀螺儀輸入的角速率進(jìn)行 更新，如式（1），其中 ?為 ?反對(duì)稱矩陣，τi為積分時(shí)間， 是IMU載體坐標(biāo)系到ECEF坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。速度更新：速度更新先要進(jìn)行比力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，IMU直接測(cè)量的是比力，借助坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣實(shí)現(xiàn)比力轉(zhuǎn)換，如公式2，其中是在ECEF坐標(biāo)系下的比力， 是測(cè)量值。速度更新利用加速度的測(cè)量通過(guò)積分進(jìn)行速度更新，如式（3），其中 ?是重力加速度， 是ECEF坐標(biāo)系下的速度，其中 ?為 反對(duì)稱矩陣。位置更新：通過(guò)對(duì)速度進(jìn)行積分就可以獲得位置更新，如式（4），其中 ?是ECEF坐標(biāo)系下的位置。

3 ?實(shí)驗(yàn)分析

3.1 ?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述

圖3為本文開(kāi)發(fā)的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)提供以太網(wǎng)、RS232、IO和電源接口，支持雙天線和4G通信，數(shù)據(jù)更新頻率可達(dá)到200 Hz。為驗(yàn)證組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用性能，將組合導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)載高光譜相機(jī)進(jìn)行集成，如圖4所示，包含ResononPika-L高光譜相機(jī)和記錄光譜數(shù)據(jù)的小型工控機(jī)。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)載高光譜因無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致圖像發(fā)生畸變，利用組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供的位置和姿態(tài)信息進(jìn)行幾何校正后可以消除畸變。為了驗(yàn)證組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)高光譜影像幾何校正效果，選取試驗(yàn)場(chǎng)地需要地勢(shì)平坦測(cè)試區(qū)域并有明顯的幾何特性和地物特征。本實(shí)驗(yàn)選取測(cè)區(qū)位于佛山伊之密體育公園（眉蕉河項(xiàng)目旁），長(zhǎng)寬約300×90，場(chǎng)景內(nèi)有一個(gè)籃球場(chǎng)，兩個(gè)足球場(chǎng)及一個(gè)停車場(chǎng)，地勢(shì)平坦，地面特征點(diǎn)較多。試驗(yàn)采用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載高光譜系統(tǒng)，飛行航線來(lái)回兩條，航高為100米、航速3.5 米/秒、航間距為67米。數(shù)據(jù)采集時(shí)組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，工控機(jī)同時(shí)記錄位置姿態(tài)信息和高光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)間同步，采集完成進(jìn)行幾何校正。

3.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為高光譜圖像的原始數(shù)據(jù)，從圖像可以看出沒(méi)有經(jīng)過(guò)校正的數(shù)據(jù)變形扭曲嚴(yán)重，無(wú)法真正還原地物幾何特征，通過(guò)組合導(dǎo)航提供的位置和姿態(tài)信息校正后，扭曲和變形有明顯的改進(jìn)，可以清晰看到足球場(chǎng)、籃球場(chǎng)、停車場(chǎng)和建筑幾何特征，如圖6所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)前布置的控制點(diǎn)驗(yàn)證，定位精度可以達(dá)到厘米，但是由于RTK本身的不穩(wěn)定存在誤差較大的情況，后續(xù)可以通過(guò)PPK提高定位精度。

4 ?結(jié) ?論

本文對(duì)基于RTK的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，硬件上集成低成本的GNSS定位板卡和IMU，并實(shí)現(xiàn)GNSS/INS組合導(dǎo)航算法功能，形成一套低成本高精度的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。將該系統(tǒng)直接應(yīng)用高光譜系統(tǒng)中，通過(guò)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠?qū)兊母吖庾V圖像進(jìn)行有效的幾何校正，能夠滿足機(jī)載等移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

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作者簡(jiǎn)介：鐘振（1981.08—），男，漢族，廣東惠來(lái)人，中級(jí)職稱，碩士，研究方向：多傳感器融合、導(dǎo)航與控制、人工智能。