(window.webpackJsonp=window.webpackJsonp||[]).push([[426],{746:function(S,t,s){"use strict";s.r(t);var a=s(10),N=Object(a.a)({},(function(){var S=this,t=S._self._c;return t("ContentSlotsDistributor",{attrs:{"slot-key":S.$parent.slotKey}},[t("h1",{attrs:{id:"gnss-辅助惯性导航系统-gnss-ins"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#gnss-辅助惯性导航系统-gnss-ins"}},[S._v("#")]),S._v(" GNSS 辅助惯性导航系统（GNSS/INS）")]),S._v(" "),t("p",[S._v("全球导航卫星系统（GNSS）由卫星星座构成，向 GNSS 接收器播发可用于计算位置、速度与时间的信号。惯性导航系统（INS）使用由微机电系统（MEMS）惯性传感器组成的惯性测量单元（IMU）测量系统的角速率与加速度。可采用先进的卡尔曼滤波估计技术将二者测量结果组合，形成 GNSS 辅助 INS 系统（GNSS/INS）。该组合系统能够提供比独立 GNSS 或 INS 更高精度的位置、速度与姿态估计，并具有更好的动态性能。")]),S._v(" "),t("h2",{attrs:{id:"系统贡献"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#系统贡献"}},[S._v("#")]),S._v(" 系统贡献")]),S._v(" "),t("p",[S._v("GNSS/INS 系统通常包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、GNSS 接收器，有时还包含三轴磁力计，用于估计导航解。各传感器为系统提供不同测量信息。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"陀螺仪和磁力计"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#陀螺仪和磁力计"}},[S._v("#")]),S._v(" 陀螺仪和磁力计")]),S._v(" "),t("p",[S._v("陀螺仪与磁力计对 GNSS/INS 的贡献与对 AHRS 相同：陀螺仪角速率经积分得到高更新率姿态解；磁力计（若使用）则提供类似磁罗盘的航向参考。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"加速度计"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#加速度计"}},[S._v("#")]),S._v(" 加速度计")]),S._v(" "),t("p",[S._v("GNSS/INS 中的加速度计测量系统因运动产生的线性加速度，以及由重力引起的视加速度。为得到因运动产生的线性加速度，须根据系统姿态估计从加速度计测量中减去重力引起的视加速度；再对所得线性加速度积分一次得到速度，积分两次得到位置。这些计算高度依赖 INS 保持准确的姿态估计：姿态误差会导致加速度计算误差，进而造成积分得到的位置与速度误差。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"gnss-接收器"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#gnss-接收器"}},[S._v("#")]),S._v(" GNSS 接收器")]),S._v(" "),t("p",[S._v("GNSS 接收器利用卫星播发的导航电文，并跟踪伪距与多普勒等原始观测量，为 GNSS/INS 提供接收器的位置、速度与时间（PVT）。这一无漂移的 PVT 解用于稳定由加速度计与陀螺仪积分得到的导航解。")]),S._v(" "),t("h2",{attrs:{id:"系统融合"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#系统融合"}},[S._v("#")]),S._v(" 系统融合")]),S._v(" "),t("p",[S._v("INS 与 GNSS 均可跟踪系统的位置与速度。INS 通常在短期内误差较小，但随时间推移会产生不断增大、理论上无界的误差；相比之下，GNSS 在短期内往往噪声较大，但在较长时间内稳定性更好。两系统集成后，GNSS 测量可约束 INS 误差，防止其无限制增长；另一方面，INS 能以高输出速率提供导航解，而 GNSS 导航解通常仅以 1 Hz～10 Hz 更新，INS 可填补 GNSS 更新间隔。GNSS/INS 使用卡尔曼滤波器跟踪系统位置、速度、姿态以及陀螺仪偏差与加速度计偏差的最优估计。")]),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"56%",alt:"IMU",src:"/knowledge-base/02/gpsins_flow.jpg",caption:"GNSS/INS 结构图"}}),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"高精度俯仰和横滚"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#高精度俯仰和横滚"}},[S._v("#")]),S._v(" 高精度俯仰和横滚")]),S._v(" "),t("p",[S._v("与 AHRS 滤波器不同，这里不对加速度计“仅测量重力”作假设。俯仰与横滚仍通过重力方向确定，但 GNSS 测量可计入动态运动对加速度计读数的影响。再结合对加速度计偏差的跟踪能力，GNSS/INS 中俯仰与横滚的动态精度通常可比 AHRS 高出 1～2 个数量级。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"动态对准"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#动态对准"}},[S._v("#")]),S._v(" 动态对准")]),S._v(" "),t("p",[S._v("在足够的动态运动下，GNSS/INS 通过称为动态对准的过程确定航向：系统将加速度计的加速度测量与 GNSS 接收器的位置、速度测量相关联，并由此准确推得航向。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("例如，若加速度计测得系统沿车辆负 y 轴加速，而 GNSS 报告系统正在向西加速（如下图所示），将二者关联可知负 y 轴必与西向对齐，因而系统指向北方。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("部分系统（主要是早期遗留系统）需要特定运动模式才能完成动态对准；而多数现代系统只需任意形式的水平加速即可，例如起飞时沿跑道加速、绕街区行驶或以 8 字形飞行。实际上，多数小型载具只需达到适当速度即可触发动态对准：汽车在高速公路上行驶时的微小波动，或塞斯纳飞机在轻微湍流中的微小波动，往往已足以使卡尔曼滤波器观测到航向。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("需要注意：动态对准过程不同于“假设航向与速度矢量方向相同”的做法；它是对车辆真实航向的测量，完全独立于对地航迹向（COG）。")]),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"56%",alt:"IMU",src:"/knowledge-base/02/gpsins_head.jpg",caption:"动态对准"}}),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"耦合架构"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#耦合架构"}},[S._v("#")]),S._v(" 耦合架构")]),S._v(" "),t("p",[S._v("将 GNSS 与 INS 组合时，可采用多种集成架构耦合二者测量结果，通常称为松耦合、紧耦合与超紧耦合，如下图所示。")]),S._v(" "),t("fdi-row",{attrs:{gap:"20px"}},[t("fdi-img",{attrs:{width:"52.5%",alt:"MEMS",src:"/knowledge-base/02/looselycoupled.jpg",caption:"松耦合"}}),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"52.5%",alt:"MEMS",src:"/knowledge-base/02/tightlycoupled.jpg",caption:"紧耦合"}}),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"52.5%",alt:"MEMS",src:"/knowledge-base/02/ultratightly.jpg",caption:"超紧耦合"}})],1),S._v(" "),t("p",[S._v("松耦合 GNSS/INS 是最常见的集成方法。如图所示，该架构将由位置、速度与时间组成的 GNSS 导航解，与 INS 导航解通过扩展卡尔曼滤波器融合。滤波器利用 INS 测量预测组合系统的位置、速度与姿态，再用 GNSS 测量更新该预测，并估计 INS 中的陀螺仪偏差与加速度计偏差；这些估计偏差用于补偿 INS 的原始陀螺仪与加速度计测量，从而提高积分精度。该方法要求 GNSS 接收器视野内至少有四颗卫星，才能计算位置与速度并送入扩展卡尔曼滤波器；若卫星少于四颗，组合系统将出现 GNSS 中断并回退为仅使用 INS。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("如图所示，紧耦合方法的集成程度更高：不再使用 GNSS 计算得到的完整导航解，而是利用原始 GNSS 伪距与多普勒测量，并将其与包含积分位置、速度与姿态的 INS 导航解一并送入扩展卡尔曼滤波器。由于使用原始观测量而非完整 PVT 解，单颗卫星也可为系统提供有用的 GNSS 更新。因此，紧耦合方法在仅有部分天空视野或易受多径误差影响的应用中（例如城市峡谷）尤为有用。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("尽管紧耦合在能见度有限的环境中具有潜在优势，但在开阔天空条件下通常并无额外收益。此外，GNSS 接收器与 INS 所采用（或不采用）的异常值抑制与自适应调谐算法，决定了即使在城市峡谷中紧耦合是否真正占优。若松耦合与紧耦合滤波器都简单地采信每一项 GNSS 测量，二者结果将相同。虽然可在紧耦合场景中设计更优的异常值剔除算法，但实际上许多紧耦合系统在对比评估中表现并不优于松耦合系统。")]),S._v(" "),t("p",[S._v("超紧耦合是集成最紧密的方法，如图所示。此时不再让 GNSS 与 INS 作为独立系统运行，而是由 INS 协助驱动 GNSS 接收器跟踪环路，以跟踪卫星播发的载波信号。当卫星与接收器相对运动时，INS 提供高速率反馈以维持跟踪锁定，即使跟踪带宽比独立接收器更窄。更窄的跟踪带宽可提高系统精度，并显著降低接收器跟踪多径信号而非卫星直达信号的可能性。然而，超紧耦合在工业中并未广泛使用，因为该反馈回路会引入新的系统不稳定性，并削弱松耦合或紧耦合中独立 GNSS 与 INS 所提供的冗余。")]),S._v(" "),t("h2",{attrs:{id:"gnss-ins-的挑战"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#gnss-ins-的挑战"}},[S._v("#")]),S._v(" GNSS/INS 的挑战")]),S._v(" "),t("p",[S._v("尽管将 GNSS 与 INS 组合可缓解二者作为独立系统时的许多限制，使用 GNSS 辅助 INS 仍面临若干挑战，包括：静态或低动态情况下航向信息丢失、GNSS 误差呈非高斯且非零均值，以及可能发生 GNSS 中断。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"静态或低动态情况"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#静态或低动态情况"}},[S._v("#")]),S._v(" 静态或低动态情况")]),S._v(" "),t("p",[S._v("在低动态或静态条件下，GNSS/INS 会失去航向可观测性，动态对准变得不可行。短时低动态期间，INS 仍可保持较准确的航向（尽管持续退化；工业级大约 1 分钟）。多数 GNSS/INS 依靠集成磁力计继续稳定航向，但 AHRS 中常见的磁航向问题也会随之出现。")]),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"gnss-误差"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#gnss-误差"}},[S._v("#")]),S._v(" GNSS 误差")]),S._v(" "),t("p",[S._v("GNSS/INS 面临的另一挑战是：GNSS 测量误差本质上是非高斯且非零均值的。非高斯误差的分布不同于钟形曲线；非零均值误差则对应均值不为零的分布，如下图所示。推导卡尔曼滤波器最优性时有一个关键假设：系统中的误差为高斯且零均值。由于 GNSS 误差违反该假设，在调整 GNSS/INS 卡尔曼滤波器以获得最佳性能时必须格外谨慎。")]),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"56%",alt:"IMU",src:"/knowledge-base/02/gpsins_nong.jpg",caption:"非高斯、非零均值分布"}}),S._v(" "),t("h3",{attrs:{id:"gnss-中断和阻塞"}},[t("a",{staticClass:"header-anchor",attrs:{href:"#gnss-中断和阻塞"}},[S._v("#")]),S._v(" GNSS 中断和阻塞")]),S._v(" "),t("p",[S._v("GNSS 中断也会给 GNSS/INS 带来问题，可能由信号阻塞或信号干扰引起。建筑物、树木等任何遮挡都可能导致 GNSS 信号阻塞，使卫星信号无法到达接收器，如下图所示。信号干扰由干扰源引起，既可能是有意的（如干扰或欺骗），也可能是无意的（如对信号造成影响的无线电广播）。当 GNSS 发生中断时，GNSS/INS 默认回退为仅使用 INS，完全依靠 IMU 传感器得到导航解。根据 IMU 传感器等级不同，单独依赖 INS 可能在短时间内出现较大漂移。")]),S._v(" "),t("fdi-img",{attrs:{width:"56%",alt:"IMU",src:"/knowledge-base/02/erb_mul.jpg",caption:"GNSS 信号阻塞"}})],1)}),[],!1,null,null,null);t.default=N.exports}}]);