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-凯时网站-首页

      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的首页的解决方案，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，行之有效的首页的解决方案有两种：

　　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，目前的首页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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