低成本SINS/GPS组合导航系统方案

中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083

关键字：惯性导航；组合导航；卡尔曼滤波

一、引言

导航定位已成为了交通工具不可缺少的一部分。导航分为自主式和非自主式，自主式导航包括惯性导航、多普勒导航和天文导航等。非自主式导航包括卫星导航、无线电导航等。以GPS为代表的卫星导航能够提供全球性、全天候的导航定位服务，但是卫星导航的信号容易受到遮挡导致定位失败，且无法获取载体的姿态信息。

捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System,SINS)是惯性导航的一种实现方式，SINS不受外界干扰，可以输出载体的位置、速度、姿态。但是SINS独立导航时误差会迅速积累。SINSGPS组合导航是公认的有发展前景的一种导航模式。

针对低成本SINSGPS组合导航，国内学者进行了大量研究。周姜滨设计了适合于工程应用的组合导航系统的结构与方案，并给出了组合导航系统位置速度交替组合模式的数学模型[1]；曹娟娟提出一种利用磁强计辅助MEMS-SINS组合导航系统信息融合模型[2]；林雪原提出了利用AHRS代替SINS航向角信息的方法，试验表明利用该方法可有效地抑制组合系统航向角的发散趋势[3]；冯绍军设计了组合系统硬件和相应软件，并验证了组合系统的性能及可行性[4]。其他学者也进行了相应研究[5-6]。

以上研究重点介绍了组合导航系统的算法部分，对组合系统其他部分的介绍较少，没有形成一套完整的组合方案。本文设计了一套完整的组合导航系统方案，介绍了低成本SINSGPS的硬件组成、GPS差分数据传输、组合系统数据接收及数据同步的方法，给出了SINS导航数据更新的方案及简化数学模型，论述了数据融合卡尔曼滤波模型并进行了车载实验。

二、硬件组成与TCP/IP链路

系统组成包括：2块GPS接收板，1个SINS模块，2台笔记本电脑，其中1台笔记本需要连接互联网。

系统工作流程如图1，可分为四步：

（1）GPS基准站通过TCP/IP链路将定位数据上传到服务器；

（2）服务器通过TCP/IP链路将GPS基准站的定位数据发送到GPS流动站，流 动站进行差分处理；

（3）GPS流动站通过串口2将差分后的定位数据传输到处理中心，SINS通过串口1将陀螺仪和加速度计数据传输到处理中心；

（4）处理中心融合SINS、GPS数据。

1、硬件组成

MPU6050是本文使用SINS的核心元器件，集成了3轴陀螺仪、3轴加速仪，可测量载体的线加速度和角速度。模块内部整合了16位的ADC传感器允许陀螺仪和加速度计的实时采样，提高了测量精度以及实现了数据的实时性。

SIM908是一款集成了GSM/GPRS技术的单频C/A码GPS模块，每秒输出1次NMEA-0183格式的GPS定位信息，由于其集成了GSM/GPRS功能，所以配合使用手机SIM卡就能快速搭建TCP/IP链路。

2、TCP/IP链路

SIM908定位精度低，无法输出伪距。可以使用两块SIM908开发板进行位置差分，从而提高GPS的定位精度。利用SIM908的GPRS功能搭建TCP/IP链路，利用该链路将基准站的定位信息传输给流动站(即组合系统的GPS)。

基准站与流动站数据传输的方法为：

（1）使用一台处于公网中的电脑作为远程服务器；

（2）基准站和流动站分别与服务器建立TCP/IP连接；

（3）利用服务器将基准站的数据转发给流动站。

利用Visual Basic(VB)语言及TCP/IP通讯控件Winsock可以快速实现TCP/IP通讯[7]。当远程服务器处于内网中时，可以使用内网通软件映射一个外网IP。

三、数据接收与同步

1、数据接收

SIM908开发板采用RS-232串口通信接口标准，采用异步串行方式进行数据传送。SINS数据通讯时可以通过硬件转换为同样的接口标准。

通过VB语言及串口通讯控件MSComm可以快速、方便地实现串口通讯[7]。本文使用两个串口分别接收SINS和GPS数据。

2、数据同步

GPS能提供授时服务，而SINS不具备时间系统，因此，SINS和GPS存在数据不同步的问题。在组合导航系统进行数据融合时，数据不同步会影响组合系统的定位精度[8]。数据同步可以通过三种方式实现：软件、硬件、软硬件结合。

本文使用软件实现数据同步。思路是将SINS和GPS置于同一个时间系统下，用该系统的时间对SINS和GPS数据进行标记，从而达到数据同步的目的。可以利用计算机时间作为统一的时间系统，在提取数据的同时记录计算机时间。

使用windows系统的API函数GetLocalTime能方便地获取计算机时间，时间精度为毫秒级[9]。此外，数据同步的时间误差还包含：两个串口的数据传输时间之差；程序提取、解析数据的时间。但对于低精度的组合导航系统，数据同步的要求较低[8]。

四、惯导数据更新

1、航姿的获取

低成本SINS的陀螺不能感知地球自转，导致组合系统无法获取航向角。为了解决这一现象，可以利用SINS自带的姿态和航向参考系统(Attitude and Heading Reference System, AHRS)。AHRS分 为 两 部分：在SINS中植入姿态角算法，从而得到姿态角；在SINS中集成三轴磁力计获取地球磁北，经过磁偏角补偿后得到航向角。

本文使用AHRS输出的航向角和姿态角替代惯导解算的航姿，省去了航姿更新的步骤，也无需考虑惯导的初始对准问题。

2、速度与位置更新

首先定义坐标系，i表示惯性坐标系，e表示地心地固坐标系，选取东-北-天为导航坐标系n（忽略n系变化）。

由惯导基本方程，速度更新算法如下[10]：

式中，下标m、m-1—分别表示tm、tm-1时刻；

Tm—惯导数据更新时间间隔，Tm=tm-tm-1；

ωen—位置速率；

ωie—地球自转角速度；

g—当地重力加速度；

C—表示tm-1时刻的姿态矩阵

Δvm—比力产生的速度增量；

Δvrotm—表示速度旋转效应产生的速度增量；Δvsculm—表示划桨效应产生的速度增量。

Δvrotm和Δvsculm采用双子样优化算法计算得出，到此完成速度更新。

位置更新算法如下[10]：

式中，L、λ、h—分别表示纬度、经度和大地高；

vN、vE、vU—分别表示北向、东向和天向速度；

RM、RN—分别表示子午圈和卯酉圈半径。

五、数据融合

使用卡尔曼滤波器融合SINS与GPS数据，组合模式为位置组合，数学模型[11]为：

由于使用AHRS输出的航姿替代惯导解算的航姿，所以卡尔曼滤波器状态方程仅包含惯导速度和位置误差方程。

综上所述，选取状态估计量为：

式中，δvn—速度误差；

δpn—位置误差；

ob—加速度计零偏。

六、实验

为了验证该方案的可行性，在中南大学新校区进行了车载实验。实验中，除了采集SINS和GPS数据，还利用商用GPS接收机进行了RTK定位，并以RTK数据作为车载的真实轨迹。SINS和GPS的各项精度指标见表1，其中，GPS定位中误差(位置差分后)由原始数据计算得出；SINS加速度计零偏和AHRS航姿误差(无干扰磁场时)为SINS生产厂家提供值。

图2中蓝色和红色曲线分别显示了GPS定位误差和组合系统的定位误差，可以看出组合系统的定位精度较GPS有了较大提高。为了验证在GPS短时间失锁的情况下组合系统的定位性能，模拟GPS信号失锁20秒。图3显示了GPS失锁状态下组合系统的定位误差，纬度方向约9m，经度方向约20m，高程方向约7m，加速度计零偏在线估计值0.012g。

表1 SINS和GPS各项精度指标

七、结语

低成本SINSGPS组合导航较GPS导航定位误差明显降低，原因是惯导的测量信息和滤波器的作用平滑了GPS定位误差。AHRS易受磁场干扰，航向角测量精度较低，只能在较短时间内进行自主导航定位，但在GPS短时间失锁或故障时仍然能发挥一定作用。