基于位移向量的车载MEMS INS/GNSS快速精准航向初始对准方法

发布时间:[2023-04-18] 来源:[陈起金 张提升 牛小骥] 点击量:[2706]

   

    自动驾驶要求车载GNSS/INS组合导航系统具备快速初始对准能力。我们基于“轨迹相似性”原理提出了一种高效率的MEMS INS航向初始对准方法。测试表明:在乘用车平台中,RTK/INS松组合系统能够在5 s内实现优于1 deg的航向对准精度;在紧组合框架下仅用GNSS移动站的载波相位观测而无需RTK也能实现同样效果,甚至能在可用卫星数小于4颗的复杂场景完成初始对准。该方法最大限度地利用了车辆启动过程中的运动信息,兼具效率和精度方面的优势。


    自动驾驶要求车载GNSS/INS组合导航系统具备快速初始对准能力。由于低成本MEMS惯导的陀螺传感器误差大于地球自转角速度,无法实现航向的静态自对准,必须在外部辅助信息的参与下才能实现航向的初始对准。现有MEMS INS航向初始对准方法普遍存在精度和收敛效率难以兼顾的问题。我基于轨迹相似性原理[4,p212]车辆启动过程中的位移向量为观测信息,设计了一种简单、快速、精准的航向初始化方法,并在松、紧组合框架下分别做了算法实现和验证[1-2]。

1) 松组合框架下的初始对准

    原理如图1所示:首先,给惯导设置一个任意的初始航向值psi_0 (一般取0)以启动姿态更新算法,通过纯陀螺积分计算载体姿态;然后,根据GNSS定位结果计算车辆的前进距离(如果装有车速计也可用里程测量值),用陀螺解算的姿态对前进距离做投影和积分进行航位推算(DR),实现位置更新,称作INS轨迹;同时,根据GNSS定位结果确定车辆的运动轨迹,称作GNSS轨迹。可以证明在短时间内INS平面轨迹与GNSS平面轨迹形状相似,但存在一个夹角delta_psi,惯导初始航向偏差是该夹角的主要来源。因此,可以根据GNSS轨迹和INS轨迹的位移向量计算得到,psi_0+delta_psi即所需的惯导初始航向。


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图 1 松组合框架下的航向初始对准原理示意图


    基于乘用车、机器人小车和农用拖拉机三种不同车辆平台的MEMS IMU——ADIS16460测试验证了上述算法[1],结果表明:(1)在GNSS RTK定位修正下,三个车辆平台上的MEMS INS均能在5 s内实现航向初始对准,精度分别为0.25deg、0.6deg和1.6deg (98.6%),如图2。(2)在GNSS SPP定位修正下,乘用车平台中在5 s内对准精度为4.7 deg,而当对准时长增加到20 s时,对准精度为1.6 deg (98%)。


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图 2 三个不同车辆平台下的MEMS INS/RTK初始对准精度


    根据误差分析和实测结果可知,GNSS定位的误差水平会影响航向对准的精度和效率,例如与SPP相比,RTK修正能让惯导更快更准地实现航向初始化。但是,RTK定位需要GNSS基站接收机的支持,且仅在较为开阔的环境比较可靠,很多应用场景难以适用。那么基于无基站支持下的单个GNSS接收机能否实现与GNSS RTK/INS同样的航向初始化效果呢?答案是肯定的。这就引出了“紧组合”框架的初始对准方法。

2) 紧组合框架下的初始对准

    针对上述问题,我们设计了紧组合框架下基于单个GNSS接收机载波相位测量值和SPP的航向初始对准算法[2-3]。GNSS接收机载波相位的相对测量精度为毫米级,载波相位的变化量(TDCP)包含了载体的运动信息,具体可以构建TDCP与初始航向的函数关系。对准过程如下:

    与松组合框架下的初始对准过程类似,在初始航向未知的情况下,首先给定任意航向初值,利用航位推算计算INS轨迹。然后,通过对比实际轨迹与INS轨迹在卫地距离方向(LOS)上的投影长度来获得。实现过程中也可根据INS轨迹获取其起止点间的理论TDCP,与GNSS接收机测量的TDCP对比,可计算出delta_psi,实现航向的初始对准。理论上,当可用卫星少于4颗时,仍能实现航向初始对准(实测结果也支持这一结论[2],但此时需要车速计提供运动距离观测值)。


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图3-a 基于载波相位的INS航向初始对准原理示意图(俯视图)

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图3-b 基于载波相位的INS航向初始对准原理示意图(主视图)


    我们首先在开阔天空环境下进行了乘用车车载实验,结果表明:使用NovAtel OEM6接收机和STIM300 (MEMS IMU),可以在5 s内实现0.65 deg (CDF95)的对准精度,如图4。说明即使利用单个GNSS接收机,不做差分定位,基于载波相位测量值也能实现快速精准的航向初始对准。


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图4 基于载波相位的航向初始对准误差


    此外,我们还测试了不同场景(开阔天空 vs 城市环境)、不同等级MEMS IMU (STIM300 vs ICM20602)、不同GNSS接收机(NovAtel的测量型GNSS接收机OEM6和u-blox的低成本导航型GNSS接收机模块M8P)对所提初始对准方法的影响,实验结果见表1。


表1 不同测试条件下航向初始对准误差

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讨论:

    初始对准是惯性导航的一个永恒主题,尤其是对于目前广泛应用的低端MEMS惯导,相关的研究工作汗牛充栋。本文的工作以实用化为导向,尝试解决自动驾驶应用中车载MEMS GNSS/INS的快速精准航向初始化问题。为此,我们采用了载体位移向量(具体是车辆INS或DR轨迹)作为航向对准的观测向量,该方法存在以下值得探讨的地方:

(1) 一般来说,惯导初始对准所用的信息(含辅助信息)包括载体的加速度(或角速度)、速度和位移等向量。所用的信息越原始(如加速度或角速度),算法的通用性越好;但是越容易受单个历元测量噪声的干扰,需要载体有更强的机动,因此为了达到一定精度所需的对准时间往往越长。相反,使用载体速度或位移这种积分解算后的观测向量,由于积分过程吸收了多个历元的动态信息,因此信息利用率更高。本文所用的位移向量更是包含了车辆启动过程中的所有运动信息,几乎是“滴水不漏”,因此能够在短时间内计算出准确的初始航向;但是其缺点是对载体的运动约束要求也越苛刻,通用性不好。例如本文方法要求载体必须满足地面轮式载体的非完整性约束(NHC),使得它无法适用于无人机和舰船等自由运动载体的惯导对准。

(2) 值得澄清的是,本文方法与传统的用GNSS航迹角计算惯导初始航向在原理上有一定相似性。但是GNSS航迹角在本质上更像是用速度向量的初始对准,其效果介于用加速度向量和用位移向量之间。GNSS航迹向量往往噪声较大,且在转弯时因GNSS航迹角并不是车辆和惯导的航向角而失效。而本文采用位移向量的方法则不存在该问题。

相关成果申请了国家专利,并发表在IEEE Sensors Journal、IEEE TIM上,相关参考文献可在团队网站(i2nav.cn)的“研究成果-学术论文”列表中下载。(Link

参考文献:

[1] Chen, Qijin; Huan Lin; Jian Kuang; Yarong Luo; Xiaoji Niu; Rapid Initial Heading Alignment for MEMS Land Vehicular GNSS/INS Navigation System, IEEE Sensors Journal, 2023, 23(7): 7656-7666

[2] Tisheng Zhang; Shan Liu; Chen, Qijin; Xin Feng; Xiaoji Niu ; Carrier-Phase-Based Initial Heading Alignment for Land Vehicular MEMS GNSS/INS Navigation System, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, 71: 1-13

[3] 张提升,陈起金,刘山,牛小骥,冯鑫. 基于GNSS载波相位的车载航向快速初始化装置及方法. 国家发明专利. ZL202220931252.0. 2022.11.01

[4] 严恭敏, 翁浚, 捷联惯导算法与组合导航原理[M]. 西北工业大学出版社, 2019.


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