低成本GNSS/INS组合导航系统探讨

梁 健，韩彦岭，于文浩，张 云

低成本GNSS/INS组合导航系统探讨

梁 健，韩彦岭，于文浩，张 云

（上海海洋大学 信息学院，上海 201306）

为了解决校内环卫扫地车廉价的导航定位问题，提出了低成本全球卫星导航系统（GNSS）与惯性导航系统（INS）组合导航系统方案：利用单频实时动态载波相位差分（RTK）技术在GNSS信号良好情况下反演得到速度和方位信息，对廉价INS输出数据进行闭环修正，减小INS输出数据的误差，而在卫星信号无法接收或信号被遮挡时，通过航位推算算法将误差模型修正后的廉价INS输出的航向角和加速度进行积分计算得到位置和方位角，从而保证组合导航系统的稳定运行。实验结果表明该方法有较为准确的定位精度和可靠的稳定性，满足了低匀速环境下的车辆导航定位的需求。

组合导航；实时定位；闭环修正；单频载波

0 引言

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）与惯性导航系统（inertial navigation system, INS）组合导航系统既拥有GNSS能迅速、准确、全天候地提供定位导航信息和INS能完全自主导航定位的优势，同时可以弥补GNSS在城市高楼区、林荫道等区域常常失效和INS累积误差等不足[1]。随着位置信息服务的应用不断扩展，一些低匀速场所对于低成本高精度的组合导航的需求也在不断上升，例如工业园区的垃圾车、校园的扫地车等。

许多国内外学者和科研机构非常关注GNSS/INS组合导航系统研究[2-3]。文献[4]提出了一种基于惯性测量单元（inertial measurement unit, IMU）的矢量跟踪的超紧的GNSS/INS组合导航系统，通过对多普勒频移的估计和补偿，实现对每颗卫星的捕获和跟踪，以实现高动态应用的跟踪和导航；文献[5]分析了GNSS/INS的松组合和紧组合模式，使用了附加航向角、速度和高度限制条件的24个状态的卡尔曼滤波算法，实现了GNSS失效时长60 s条件下的持续导航能力；文献[6]分析了松组合和紧组合的GNSS/INS方案的性能，并评估了在市中心环境下该方案的定位性能；文献[7]提出了迭代容积的卡尔曼滤波算法，分析了不同线性情况对GNSS/INS组合导航系统滤波影响，并验证了该滤波器的有效性。综上所述，GNSS/INS组合导航系统应用越来越重要，但以上国内外的研究成果主要集中在价格比较昂贵的组合导航上。为了降低组合导航系统的成本，文献[8]提出了基于离群抗性模糊度解析的卡尔曼滤波算法的紧组合的廉价单频GNSS/微机电系统惯性测量元件（micro-electro-mechanical system inertial measurement unit, MEMS-IMU）的实时动态载波相位差分（real-time kinematic, RTK）技术方案，证明其在市中心复杂环境下，可以实现高精度动态导航定位且其结果好于双频段的GNSS RTK技术；文献[9]提出了拥有强稳模糊度解算的廉价单频全球定位系统（global positioning system, GPS）、中国北斗卫星导航系统（beidou navigation satellite system, BDS）与MEMS-IMU的紧组合方案，证实了其有好的定位精度和可靠性；文献[10]加入日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS)形成了廉价单频的GPS/BDS/ QZSS/MEMS-IMU的紧组合方案并将其推广到自动驾驶领域，该方案可以提供稳定、可靠的定位性能。

基于本团队的研究基础[11]，本文提出了基于航位推算的低成本GNSS/INS组合导航系统。

本文使用了市场价格低于10美元的HG_INS惯性模块和廉价的U-blox卫星导航定位模块。首先，为了提高GNSS定位的精度，设计了廉价单频双模（GPS/BDS）RTK定位算法。其次，由于低成本的HG_INS输出的数据精度不高，通过GNSS信号良好情况下反演得到速度和方位信息对HG_INS的输出数据进行闭环修正，减小其输出数据的误差，从而在GNSS信号缺失的情况下，使用修正后的HG_INS输出数据实现组合导航系统持续导航定位的功能。

1 组合导航系统原理

1.1 单频载波组合定位模型

本文使用单频双模的U-blox导航芯片，并进行了动态RTK定位研究。相对于普通的测量型GNSS模块，单频GNSS模块的载波输出精度不够，同时电离层对于单频RTK的影响较大，因此本文设计了基于载波卡尔曼滤波以及最小二乘降相关分解法（least-square ambiguity decorrelation adjustment, LAMBDA）的整周模糊度解算的方法，实现廉价GNSS模块的动态RTK定位。

1.1.1 观测方程差分

大气误差、卫星时钟误差和接收机时钟误差都可经过双差运算进行大幅度减弱，简化后观测方程为

求解RTK定位的参数向量为

式中表示在空间直角坐标系中移动站的位置坐标。第个历元的双差载波相位和伪距观测值的向量为

1.1.2卡尔曼滤波求解

1.1.3 LAMBDA算法模糊度求解

多数的整周模糊度求解思路就是求解整数最小二乘问题，即将目标函数最小化。本文使用了具有较完善的理论及优越性能的LAMBDA算法，其关键是整周模糊度搜索和Z变换。

目标函数为

1.2 廉价GNSS/INS组合导航定位

1.2.1 廉价GNSS/INS组合导航定位模型

由于采用了廉价INS模块，因此本文采用了松组合的GNSS/INS组合导航定位方式。本系统使用的廉价INS元器件存在着较大的偏差，不能够直接利用在位置解算上。因此本文提出了利用GNSS正常解算情况下反演得到的速度和方位信息对于INS进行闭环修正，得到INS输出误差模型，而在卫星信号无法接收或信号被遮挡时，可以通过航位推算算法，利用误差模型修正后的廉价INS输出的航向角和加速度进行积分计算得到位置和方位角。松组合模型[12]为

1.2.2 航位推算算法

当GNSS信号缺失时，将INS输出的加速度和航向角通过航位推算算法计算出位置，保证组合导航系统继续工作。

1.3 数据处理流程

本实验的数据流程主要分为3个阶段，即初始准备阶段、单个U-blox定位阶段和利用HG_INS模块+U-blox模块组合定位阶段，如图1所示。

1）首先，将U-blox模块和HG_INS模块的数据依据HG_INS模块的初始时间戳进行同步，其次，将U-blox模块连接千寻网络（continuously operating reference stations, CORS），实现U-blox的动态RTK定位解算。

2）然后，判断U-blox模块的定位结果是否有效，如果U-blox定位有效，使用U-blox定位模块的位置数据作为组合系统的输出位置；同时，利用U-blox模块的航向角和速度信息，对INS的输出信息进行闭环修正，得到INS输出误差模型。

3）如果U-blox定位无效，对INS误差模型修正后的输出数据进行航位推算计算出位置，并作为组合系统的输出位置。

图1 低成本组合导航系统数据处理流程

2 实验与结果分析

本文选择廉价的HG_INS模块和U-blox模块，在上海海洋大学临港校区内实施了试验。本文研究的目的是组合导航系统的定位精度和可靠性分析，因此本文没有使用高精度的惯性导航设备进行航向的比较，使用了Novatel的结果作为基准进行了精度比较；HG_INS的初始航向角通过动态U-blox定位结果进行匹配确定。

2.1 实验器材

本次实验选择市场价格低于10美元的MPU-6050组件的HG_INS的开发板作为实验器材，HG_INS是一款采样频率100 Hz的6轴的惯性传感器，包含3轴的加速度计和3轴的陀螺仪，如图2所示。表1介绍了HG_INS基本参数。

图2 HG_INS开发板

表1 HG_INS基本参数

U-blox-M8是一款能跟踪GNSS单频廉价导航级芯片，同时支持基于网络基站的动态RTK定位，使其拥有较高的定位精度。此模块广泛应用于汽车导航等交通运输领域，通过结合HG_INS模块以实现GNSS/INS组合导航，进一步提高定位的精度和稳定性。

本实验以Novatel OEM6接收机的定位结果作为标准参考数据。U-blox模块及Novatel接收机如图3所示。表2为Novatel接收机和U-blox导航模块的基本参数。实验中，U-blox模块连接方块天线并采取采样频率10 Hz的单频双模模式（GPS的L1频段和BDS的B1频段），Novatel接收机连接配套的Novatel天线并采用采样频率10 Hz单模双频模式（GPS的L1频段和L2频段）（如图4所示）。

图3 Novatel OEM6接收机(左)和廉价U-blox模块(右)

图4 Novatel天线(左)和廉价方块天线(右)

表2 接收机基本参数

2.2 实验场所

表3介绍了2次汽车试验时间段以及试验场地，试验场地是上海海洋大学临港校区内元鼎路,第1圈时长410 s，第2圈时长310 s。

表3 实验场地介绍

由于校内GNSS信号较好，即U-blox模块及Novatel接收机都没有出现长时间的GNSS信号缺失，因此本文特意设置U-blox较长时间段信号缺失情况(如表4所示），以研究低成本组合导航系统的定位精度和可靠性。在U-blox缺省时间内，可以利用Novatel的位置作为精度比较基准。

表4 U-blox信号缺失表

2.3 实验流程

汽车实地实验流程如图5所示，总共包含4个部分：①在汽车顶上固定好HG_INS模块、U-blox天线和Novatel天线，并将U-blox天线和Novatel天线与各自定位设备连接，然后统一连接到笔记本电脑上；②调试各个设备软件，并进行初始化，然后设置U-blox定位模式为RTK模式；③收集HG_INS模块、U-blox和Novatel的数据；④判断U-blox数据有效性，实现低成本组合导航系统定位。

图5 实验流程

2.4 结果分析

本文通过2次汽车试验获得了低成本GNSS/ INS组合导航系统实测数据，汽车实际行驶速度在30~40 km/h范围内，构建了低成本GNSS/INS组合导航系统的模型，并对组合系统的速度、航向角和位置进行了分析。

2.4.1 速度分析

图6和图7中显示了基于航位推算算法的低成本的GNSS/INS组合导航系统和Novatel的参考导航系统的东向速度和北向速度对比图。从图6和图7中可以看出本文设置第1圈试验的U-blox缺失时间最长时间段在292~334 s之间共43 s，此时与参考系统比较出现了在东向和北向上较大的速度误差，东向最大速度误差为4.1 m/s，北向最大速度误差为3.5 m/s，其他时间段卫星信号缺失时间小于20 s，东向平均速度误差0.4 m/s，北向平均速度误差0.3 m/s。

图6 第1圈组合导航系统和参考系统东向速度对比

图7 第1圈组合导航系统和参考系统北向速度对比

图8和图9中可以看出本文设置第2圈试验的U-blox缺失时间最长时间段在200~245 s之间共46 s，此时与参考系统比较出现了在东向最大速度误差为16.3 m/s，北向最大速度误差为7.1 m/s，其他时间段卫星信号缺失时间小于20 s，东向平均速度误差0.5 m/s，北向平均速度误差0.3 m/s。由于第2圈汽车在最大时长卫星信号缺失时速度比第1圈大，所以导致第2圈的速度误差比较大，其他缺失时间段误差比较小。本文利用GNSS信号良好情况下反演得到速度信息，对HG_INS的输出加速度进行闭环修正，减小了HG_INS的输出加速度的误差，保证了低成本的GNSS/INS组合导航拥有较高精度的速度。

图8 第2圈组合导航系统和参考系统东向速度对比

图9 第2圈组合导航系统和参考系统北向速度对比

2.4.2 航向角分析

图10为第1圈组合导航系统和参考系统的航向角对比。从图中可知45 s之前，组合导航系统的航向角上下波动误差为68.8°，之后2者航向角误差均值为2.6°。图11为第2圈组合导航系统和参考系统的航向角对比。从图中可知44 s之前，组合导航系统的航向角上下波动误差为91.5°，之后组合导航系统和参考系统的航向角误差均值为2.6°。组合导航系统的航向角需要通过大概50 s时间实现组合导航系统的航向角匹配，匹配后航向角可以收敛在3°以内。本文利用GNSS信号良好情况下反演得到方位角信息，对HG_INS的输出航向角进行闭环修正，减小了HG_INS的输出航向角的误差，保证了GNSS/INS组合导航拥有较高精度航向角。

图10 第1圈组合导航系统和参考系统的航向角对比

图11 第2圈组合导航系统和参考系统的航向角对比

2.4.3 位置分析

第1圈组合导航系统和参考系统轨迹对比如图12所示。根据速度和航向角计算，组合导航系统与参考系统的轨迹位置最大误差34.2 m，其他20 s以内卫星信号缺失，组合导航系统与参考系统的轨迹位置平均误差为2.5 m（如图13所示）。第2圈组合导航系统和参考系统轨迹对比如图14所示，其中组合导航系统与参考系统的轨迹位置最大误差102.1 m，其他20 s以内卫星信号缺失，组合导航系统与参考系统的轨迹位置平均误差为3.3 m（如图15所示）。

图12 第1圈组合导航系统和参考系统轨迹对比

图13 第1圈组合导航系统和参考系统轨迹位置误差

图15 第2圈组合导航系统和参考系统轨迹位置误差

因此，当卫星信号缺失时，GNSS无法使用，而此刻利用经过误差模型修正后的廉价INS_HG输出的加速度和航向角进行积分计算得到位置和航向角，弥补卫星信号缺失的不足，保证导航系统可以继续保持稳定运行，并且获得可靠性。组合导航系统与参考系统的试验位置、速度和航向角的误差表，如表5所示。

表5 2次试验误差结果表

3 结束语

本文提出了基于航位推算的低成本GNSS/ INS组合导航系统，利用廉价单频RTK技术的U-blox模块以及卫星信号良好情况下的GNSS的速度和方位角信息修正HG_INS方法，并通过实地汽车试验获取实测数据，分析了此组合导航系统的定位精度，其中设置U-blox系统2次出现最长的信号丢失时间分别是43和46 s，导致位置误差分别为34.1和102.1 m。其他少于20 s的卫星信号缺失时段，组合导航的位置平均误差分别只有2.5和3.3 m。此方法可有效解决GNSS系统出现短时间信号丢失情况无法定位的缺点。通过实验证明了本文提出的组合导航系统的有效性和稳定性。校园道路状况简单，车辆处于近低匀速，达到了较好的定位效果；在接下来的工作中，将对高变速的情况进行研究，提高此组合导航的适用范围。

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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，韩彦岭，于文浩，等.低成本GNSS/INS组合导航系统探讨[J].导航定位学报,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，江苏淮安人，硕士生，研究方向为廉价GNSS/INS组合导航。

张云（1974—），男，上海人，博士，教授，研究方向为GNSS定位导航和GNSS-R技术。