[發明專利]一種新型GNSS接收機傾斜測量系統及方法

有效

• 申請號: 201811333054.4
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109269471B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 鄧海峰;袁本銀;沈雪峰;謝惠穎;梁越;李早玲;徐恩強
• 申請（專利權）人: 上海華測導航技術股份有限公司
• 主分類號: G01C9/00
• 分類號: G01C9/00;G01C21/16;G01S19/47
• 代理公司: 上海宣宜專利代理事務所(普通合伙) 31288
• 代理人: 劉君

1.一種新型GNSS接收機傾斜測量系統，其特征在于，包括慣性測量單元，所述慣性測量單元包括3軸加速度計和3軸陀螺儀；GNSS接收機，所述GNSS接收機用來測量接收機天線相位中心的位置和速度；CPU，所述CPU用于數據處理，負責GNSS接收機數據和慣性測量單元數據的同步和GNSS/INS融合算法與傾斜補償算法的執行；對中桿，所述對中桿是GNSS接收機和測量點位置傳遞的物理媒介，所述慣性測量單元包含三軸加速度計和三軸陀螺儀，可以不包含3軸磁力計，所述GNSS接收機還提供PPS脈沖同步信號，天線相位中心的位置是傾斜測量的位置基準，天線相位中心的位置和速度是GNSS/INS數據融合模型的觀測輸入，PPS脈沖信號則是GNSS數據和IMU觀測數據時間同步的基準，所述CPU還負責GNSS/INS數據融合算法的運行，負責傾斜補償的計算以及補償點精度評價指標的計算；傾斜測量的步驟包括：第一步：GNSS接收機出廠之前的整機標定:在標定環節和算法解算環節會涉及坐標系的定義，包括載體系和導航系的定義，載體系是與GNSS接收機內IMU模塊固連的正交直角坐標系，以IMU質心為原點，用以描述IMU模塊的三維空間定義，根據坐標軸的指向分為右前上，前左上，前右下，導航系使用以描述導航定位結果的空間坐標系，有ECEF地心地固坐標系、地理系、ENU/NED當地水平坐標系，將GNSS接收機的底面通過連接件與六面體內部底面固連，根據公式1所示IMU觀測模型建立最小二乘模型(公式3)，并以IMU在水平面的理論輸出為約束，估計IMU的加速度計零偏、陀螺儀零偏和加速度計比例系數，在水平面下，加速度計豎直向上方向的觀測值理論上為當地重力大小，水平方向上的觀測值理論上為0，陀螺儀理論上敏感地球自傳角速度，但本發明采用MEMS慣性傳感器，其分辨率不足以識別地球自傳角速度，所以本發明以0作為陀螺儀在水平面的理論輸出；

對于陀螺儀，采用的標定方案只標定陀螺儀的零偏項，其計算方法為將6組順序中對應于XYZ軸的輸出的均值分別相加再求平均，例如公式2計算陀螺X軸零偏，即為陀螺儀的零偏補償項bias；

對于加速度計，采用最小二乘算法以水平面的理論輸出為約束估計加速度計的零偏項和比例系數項，根據公式1中加速度計的誤差模型，需要估計3個零偏系數和9個比例系數，共12個變量，采用六個位置進行標定，每個位置建立3個實際輸出與理論輸出對應的觀測方程，共可以建立18個觀測方程，所以采用最小二乘方法對12個變量進行估計；

利用公式3計算的加速度計零偏和比例系數對對應的靜態加速度計觀測數據按公式1進行補償，再利用補償后的數據根據以下公式計算水平安裝誤差：

其中accx,accy,accz為補償后加速度計三軸輸出的均值，為根據三維姿態構建的方向余弦矩陣，其具體形式與坐標系的選取相關，以上公式為根據本文選擇的坐標系定義計算水平安裝誤差pitch,roll的算法，其它坐標系定義計算水平安裝誤差的推導過程類似；

第二步：GNSS/INS數據同步：

待IMU慣性傳感器和GNSS板卡完成開機初始化之后，將IMU的慣性測量數據、GNSS接收機的觀測數據和PPS秒脈沖信號接入到CPU處理器，通過CPU的晶振對IMU觀測值進行CPU系統時間標記，當PPS信號觸發時，將GPS系統時的整秒部分賦值給IMU觀測值的時間戳，并將IMU觀測值時間戳的小數部分置零，當PPS信號未觸發時，則有CPU的晶振維持IMU觀測值時間戳的小數部分的累加與整秒進位，然后將同步之后的GNSS觀測數據和IMU觀測數據傳遞給GNSS/INS融合解算算法模塊；

第三步：導航解算狀態初始化：

慣性機械編排算法屬于航位推算算法，需要載體的位置，速度和姿態的初始值，利用GNSS的速度和位置信息來實現慣性機械編排的初始化，只需測量員手持GNSS接收機直線步行10m左右，步行速度大于1m/s，即可很據GNSS接收機輸出的位置和速度信息完成慣性機械編排的位置、速度和姿態的初始化，由于已對GNSS觀測數據和IMU觀測數據進行了時間同步，所以通過GNSS觀測數據對慣性機械編排進行初始化不存在時空不一致的問題；

第四步：GNSS/INS數據融合解算：

完成位置、速度和姿態的初始化之后，就可以根據慣性機械編排算法的微分方程(公式4-1,2,3)以不高于IMU慣性觀測數據采樣的頻率進行航位推算，并根據慣性機械編排算法微分方程的誤差方程(公式5-1-9)構建GNSS/INS數據融合解算kalman濾波器的狀態方程(公式6)，并以不高于IMU慣性觀測數據采樣的頻率進行kalman濾波器的時間更新(公式7-1,2)，一旦CPU接收與GNSS觀測時刻對應的GNSS導航定位結果，則進行kalman濾波器的量測更新(公式7-3,4,5)，并將量測更新估計的狀態誤差反饋修正至慣性機械編排推算的位置、速度和姿態，以修正后的位置、速度和姿態做為GSNN/INS融合解算的結果輸出，至此完成一次GNSS/INS的數據融合解算，GNSS/INS數據融合算法循環執行以上過程，以實現三維姿態、速度和位置的動態高精度跟蹤；

其中，表示導航系相對于慣性系的旋轉，它包含兩部分：地球自轉引起的導航系旋轉，以及系統在地球表面附近移動因地球表面彎曲引起的導航系旋轉，即有其中

ω_ie為地球自轉角速率，L和h分別為地理緯度和高度；

其中為加速度計測量的比力，為由載體運動和地球自轉引起的哥氏加速度，為由載體運動引起的對地向心加速度，gⁿ為重力加速度，統稱為有害加速度；

其中

R_Mh＝R_M+h，R_Nh＝R_N+h

公式5-1至5-9的等式右邊構成了公式6中的狀態空間X_k，并擴充了IMU加速度計和陀螺儀的零偏誤差項，公式5-1至5-9的等式左邊構成了公式6中的狀態轉移矩陣φ_k/k-1，并擴充了IMU加速度計和陀螺儀的零偏誤差的狀態轉移項，W_K-1為狀態傳遞噪聲，根據慣性傳感器的標稱精度和經驗值設定，Z_k為觀測量，本發明采用GNSS速度和位置與慣性航位推算的位置和速度差值作為觀測量，H_k為量測矩陣，根據觀測量與狀態空間的轉換關系設定，v_k為量測噪聲，根據GNSS的定位定速精度設定；

①狀態一步預測

②狀態一步預測均方誤差

③濾波增益

④狀態估計

⑤狀態估計均方誤差

P_k＝(I-K_kH_k)P_k/k-1 (7-5)

第五步：傾斜測量：

對中桿底部至天線相位中心的距離L在載體坐標系ENU下的投影為恒定三維空間矢量lever_b＝[0 0 -L]，而GNSS/INS數據融合算法輸出的三維姿態描述的是載體系b(ENU)與導航系n(當地水平坐標系)之間的旋轉關系，根據三維姿態可以構建方向余弦矩陣將載體系下的三維空間矢量投影至導航坐標系下的三維空間矢量從而將導航坐標系下天線相位中心位置R_antenna轉換至對中桿底部測量點在導航坐標系下的位置R_measurement，實現傾斜測量；

第六步：傾斜測量精度評價指標：

以公式5-1至5-9為基礎對慣性機械編排誤差方程進行簡化(公式9)和近似可以對短時間內的三維姿態推算誤差進行評價，計算三維姿態的標準差，再以三維姿態標準差為基礎根據誤差傳播定律以公式8和公式10推算傾斜測量點位的標準差和傾斜角度的標準差；

其中φ_E,φ_N,φ_U為ENU三個軸向的姿態標準差，φ_E,φ_N,φ_U為姿態的初始標準差，ε_E,ε_N,ε_U為ENU三軸陀螺儀的零偏，為ENU三軸加速度計的零偏，R為地球半徑，δv_E0,δv_N0為E方向和N方向的速度標準差，t_L＝tan(L)，L為地理緯度，t為慣性航位推算時間；

第七步：對中桿空間狀態描述：

根據三維姿態推導對中桿在導航坐標系中的傾斜角度和傾斜方向，以方便在顯示端描述對中桿的傾斜狀態，設從載體系b至導航系n的方向余弦矩陣則對中桿的傾斜方向角dir和傾斜角度tilt可以由如下公式計算：