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GNSS/INS组合导航的发展现状及未来趋势——结合司南导航GNSS/INS组合导航产品及应用分析

  • 分类:技术文章
  • 作者:王振国
  • 来源:司南导航
  • 发布时间:2021-10-21 14:23
  • 访问量:

【概要描述】不得不说,以前关于“GNSS应用只受想象力的限制”的传言,虽然深信不疑,但现在个人已亲眼所见并亲身体会到了,单就司南导航本身的业务来说,已经涉及到了人员定位、车辆定位、铁路监测、船舶定位、机械控制、飞机导航、高精度测绘等领域,更不用说细分的各个行业了。与此同时,用户的观念也发生了很大的变化——以前是不清楚自己能不能用,现在是想尝试着用,希望GNSS厂商能根据他们的应用方式和环境给出一个基于GNSS的解决方案,因为毕竟GNSS定位的高精度与便捷性等优势是任何其它导航定位方法无法比拟的,当然,目前GNSS设备价格的降低也促进了这种观念的转变。

GNSS/INS组合导航的发展现状及未来趋势——结合司南导航GNSS/INS组合导航产品及应用分析

【概要描述】不得不说,以前关于“GNSS应用只受想象力的限制”的传言,虽然深信不疑,但现在个人已亲眼所见并亲身体会到了,单就司南导航本身的业务来说,已经涉及到了人员定位、车辆定位、铁路监测、船舶定位、机械控制、飞机导航、高精度测绘等领域,更不用说细分的各个行业了。与此同时,用户的观念也发生了很大的变化——以前是不清楚自己能不能用,现在是想尝试着用,希望GNSS厂商能根据他们的应用方式和环境给出一个基于GNSS的解决方案,因为毕竟GNSS定位的高精度与便捷性等优势是任何其它导航定位方法无法比拟的,当然,目前GNSS设备价格的降低也促进了这种观念的转变。

  • 分类:技术文章
  • 作者:王振国
  • 来源:司南导航
  • 发布时间:2021-10-21 14:23
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      司南导航:www.sinognss.com

  一、应用背景

  不得不说,以前关于“GNSS应用只受想象力的限制”的传言,虽然深信不疑,但现在个人已亲眼所见并亲身体会到了,单就司南导航本身的业务来说,已经涉及到了人员定位、车辆定位、铁路监测、船舶定位、机械控制、飞机导航、高精度测绘等领域,更不用说细分的各个行业了。与此同时,用户的观念也发生了很大的变化——以前是不清楚自己能不能用,现在是想尝试着用,希望GNSS厂商能根据他们的应用方式和环境给出一个基于GNSS的解决方案,因为毕竟GNSS定位的高精度与便捷性等优势是任何其它导航定位方法无法比拟的,当然,目前GNSS设备价格的降低也促进了这种观念的转变。然而,GNSS应用也有其局限性,随着应用的不断深入和使用场景的扩展,靠单一的GNSS定位,并不能满足所有用户所有场景的需求。

  导航定位的方式有很多种,GNSS卫星定位由于其突出的优点,得到了全世界各行业用户的青睐。但与此同时,作为一种非自主定位方式,GNSS系统要求必须对卫星可见(即所谓的“靠天吃饭”),并且为了保证高精度的结果,对卫星信号的质量也会有一定的要求。因此,在某些特殊的应用场合,例如隧道、树下、楼宇之间、山沟和其它对卫星信号有影响或者会引起卫星信号丢失的环境,GNSS的应用就受到了限制。

  经过验证,目前对于这类环境,行之有效的解决方案有两种:

  第一、发展GNSS多系统应用,增加星座卫星数量。目前正式投入运行的GNSS系统主要包括BDS(中国)、GPS(美国)和GLONASS(俄罗斯),例如自2012年底中国北斗卫星导航系统(BDS)正式运行以来,在楼宇之间、山沟中的GNSS定位效果已经得到了明显的改善;

  第二,发展GNSS与惯性导航(INS)组合导航应用技术。与GNSS定位不同,惯性导航是一种自主定位导航技术,其优势是不受外界环境(主要是遮挡或电磁干扰等环境)的影响,并可以在一定的时间内保证较高精度,缺点是定位误差会随时间积累,高精度(厘米级)的惯性导航系统成本可达几十万甚至上百万人民币,这对于普通民用市场来说,几乎没有应用空间,而低成本的惯性导航系统,价格虽然只有千元级别,但精度比较低,且误差扩散比较快,只适合与GNSS高精度定位方式结合使用,这样的组合导航方式,正好能够满足一般的民用需求。

  二、司南惯性导航产品介绍

  司南导航采用的INS组件,是面向车载应用的一款中低精度惯性导航产品。其中包含三轴MEMS 陀螺仪和三轴MEMS 加速度计,通过接收司南北斗/GNSS接收机信号,实现载体的实时高精度定位、测速和测姿。它可以在GNSS失去信号或者遮挡严重时提供短时间连续可靠的精确定位、测速、测姿服务,主要应用于车辆监控、车载导航等领域。其特点是:

  1.三维定位,测速和测姿

  可进行三维定位、测速和测姿。

  2.里程计可选

  无需里程计即可实现纯惯性导航。

  3.安装角度要求低

  对车载安装角度有一定的要求,但要求比较低。

  4.智能识别并隔离较差质量的GNSS定位结果

  可以用组合导航系统自身的状态判断当前GNSS定位结果的优劣,并自动隔离较差的结果,保障组合导航的可靠性和精度。

  基于不同用户的需求,司南公司设计了两款GNSS/INS组合导航产品,即M300 GNSS/INS接收机和M600 GNSS/INS接收机,其区别在于,前者是单天线接收机,其初始化过程相对比较复杂,要求设备上电后,在正式使用前,需要以不低于5m/s的速度前进约2分钟左右,以便惯导模块得到精确的方向角初值,如果是第一次使用还需要行车后再停车静止30秒,然后初始化完成,但是停车等待步骤在安装正式产品后无须每次都做;后者是双天线接收机,其初始化过程非常简单,设备上电后,静止状态下即可自动测出高精度的方向角并赋给惯导模块,完成初始化。

  三、安装说明

  司南GNSS/INS惯导接收机的安装无严格要求,但须保证在上电前将模块与车辆固连,,在上电后切忌再移动模块。大致安装方向如下图所示:

  图1. 惯导模块在车内的大致安装方向

  图2. 与图1对应的GNSS/INS接收机在车内的安装方向

  图3. 与图2对应的INS模块在接收机内部的安装方向

  四、组合定位效果测试

  以下图示,是司南M300 GNSS/INS接收机测试数据统计的结果。

  1.第一组楼宇之间的应用

  测试地点:司南导航园区内。

  环境描述:院内包含3幢5层楼房和1幢10层楼房,楼间距小于20米,安装M300 GNSS/INS的车在楼群中穿梭三遍,然后统计结果。

  数据说明:红色点为纯GNSS解算的坐标,黑色点为GNSS/INS组合导航解算后输出的坐标,白色线为坐标点之间的连线。

  数据分析:很显然,该环境下,纯GNSS定位结果出现了很多飞点,GNSS/INS组合导航结果没有出现飞点,但是由于环境比较恶劣,长时间处于INS定位模式下,仍然有一定的误差,无法保持厘米级的定位精度。

  图4. GNSS/INS在楼宇之间的应用

  2.第二组港口码头的应用

  测试地点:某港口码头。

  环境描述:港口码头大部分地方都比较开阔,GNSS定位不受影响,但是在岸桥下机械吊臂之间穿行,则对GNSS卫星信号影响很大(如图5)。

  数据说明:如图6,红色点为纯GNSS解算的坐标,蓝色点为GNSS/INS组合导航解算后输出的坐标。

  数据分析:该环境下,在GNSS信号未受影响的地区,两组坐标重合,精度都很高,但是在岸桥下,纯GNSS定位就出现了飞点,但是组合导航结果仍然精确。

  图5. 港口码头环境

  图6. 港口码头定位效果

  3.第三组城市楼群和多树道路环境应用

  测试地点:北京市鸟巢附近。

  环境描述:测试路段内包括楼宇之间、封顶式多树路段、人行天桥、立交桥、隧道等多种城市环境。

  数据说明:图中红色为GNSS/INS组合导航定位数据轨迹,黄色为纯GNSS定位数据轨迹。

  数据分析:在复杂的城市环境下,GNSS/INS组合定位优势明显,没有大面积漂移现象出现,特别是经过隧道和立交桥等完全失去GNSS卫星信号路段,仍然能够输出正确的轨迹。

  图7. 通过封顶式树林

  图8. 通过立交桥

  图9. 通过楼群

  图10. 通过隧道(鸟巢下隧道)

  图11. 通过人行天桥

  五、实际应用情况分析

  司南GNSS/INS接收机目前已经应用于城市车辆监控,港口车辆调度等亚米级精度要求的行业,也有一部分应用于驾考等高精度要求的行业。

  对于亚米级精度要求的行业,该应用方案经过市场验证已经比较成熟,精度方面完全可以满足要求。

  而在高精度要求的行业应用中,验证结果表明,在GNSS工作良好区域和短时间失去GNSS卫星信号时,该组合系统的输出精度都较好。但是当车辆(或其他载体)进行高动态机动或GNSS接收机受环境干扰影响而长时间不能工作时,该系统的精度将随运行时间增加而急剧下降。

  查阅资料(《惯性导航与卫星导航紧耦合技术发展现状》)得知,由于我们目前采用的GNSS/INS组合导航方式属于松散耦合,其基本原理是,当GNSS可以工作时,使用GNSS信号用于导航信息的最优估计并用最优估计结果反馈修正INS使其保持高精度;在GNSS不可工作期间INS单独工作输出惯性导航解,其原理示意图如下:

  图12. 松散耦合原理图

  与松散组合相对应的,是一种紧密耦合方案,该组合方案是双方向信息传输的,即一方面GNSS信号用于修正INS;另一方,INS信号在卫星星历的辅助下,也用于计算载体相对于GNSS卫星的伪距和伪距率,并用该信息辅助GNSS信号的接收和锁相过程,以提高GNSS的接收精度和动态性能。相比较于松散组合,紧耦合有如下优点:

  1.精度更高

  由于INS在一定时间范围内具有较高的定位精度和速度测量精度,利用这些信息辅助GNSS信号接收和跟踪过程,可以大幅度提高GNSS的定位精度、动态性能和工作可靠性。提高精度的GNSS信息反过来可以修正INS精度,使得组合后的系统精度要高于单个系统(GNSS或INS)精度,而松散组合最好情况下也只能取得与GNSS相当的精度。

  2.抗干扰能力更强

  当GNSS卫星信号信噪比恶化甚至完全失锁时,或当GNSS接收机出现故障时,INS可以独立进行导航定位。当GNSS信号状况显著改善到允许跟踪时,INS向GNSS接收机提供当前载体的初始位置和速度等信息,并用来辅助接收机搜索GNSS卫星信号,从而大大加快对GNSS卫星信号的重新捕获速度。甚至,INS信息还可以修改跟踪回路参数,改变信号动态特性和接收信号的信噪比,改进跟踪回路的能力,保证捕获并锁定GNSS卫星信号,提高了接收机对GNSS卫星信号的跟踪能力。

  如果将INS和GNSS的解算电路集成在一起,还可以省去相互之间的数据传输线,从而可以进一步提高组合系统的抗干扰能力和保密性。

  紧密耦合的原理示意图如下:

 

  图13. 紧密耦合原理图

  六、应用前景

  面对日益多样化的导航定位需求和越来越复杂的应用环境,任何单一的导航定位系统都无法成为解决一切问题的方案,多系统、多方式组合应用已经成为必然趋势。

  对于高精度应用领域,目前的解决方案还不完善,仍需从技术方面,例如采用紧密耦合等方式,使GNSS与INS更深层次结合,以达到最佳组合定位效果。

  对于大部分民用领域来说,考虑到成本因素,以高精度北斗/GNSS定位为主,以低成本的惯导组件为辅的方案,能够达到优势互补,既能够满足精度需要,也能够兼顾复杂的应用环境,特别是在一些大部分情况GNSS信号良好,只是个别小范围信号受影响的环境,这种方案效果更好、更受用户欢迎。

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