[發(fā)明專利]一種傾斜RTK航向初始化方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911380356.1
• 申請日: 2019-12-27
• 公開（公告）號: CN111089587B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳起金;牛小驥;林歡;郭若南;賴昌鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01C25/00;G01S19/49
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 王琪

本發(fā)明提出了一種傾斜RTK應(yīng)用場景下通過匹配RTK軌跡與INS軌跡計算INS初始航向角誤差的方法，能夠在2s內(nèi)實現(xiàn)精度為1deg的航向角初始化。本發(fā)明提出的INS軌跡推算方法不使用加速度計，并且在測量開始階段通過靜止扣除大的零偏初值，保證了INS解算軌跡的精度。同時，本發(fā)明的方法操作簡單、易于實現(xiàn)，只需原地來回晃動測量桿即可，超快速的初始化時間也大大地提高了測量效率。與一般傾斜RTK航向初始化方法相比，本發(fā)明的方法不需使用磁力計，不會受到磁場干擾，在復(fù)雜環(huán)境中具有更強的適應(yīng)性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于MEMS INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)航向初始化領(lǐng)域，特別涉及一種針對傾斜RTK的快速精確的航向初始化方法。

背景技術(shù)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)是推算導(dǎo)航系統(tǒng)的范例，具有自主性完全、可靠性高、動態(tài)性能好等優(yōu)點，然而由于其誤差會隨時間不斷積累，常常需要其他的導(dǎo)航手段進行輔助與校正。與INS相比，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(global navigationsatellite system,GNSS)可以實現(xiàn)長時間較高精度的定位，誤差不隨時間積累；但也具有輸出頻率低、無法進行連續(xù)定位、無法輸出姿態(tài)信息等缺點。將二者結(jié)合在一起，組成INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以提供連續(xù)、高帶寬、長時和短時精度均較高的、完整的導(dǎo)航參數(shù)。

INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，以傾斜RTK應(yīng)用場景為例，加入低成本的微機械(micro-electro-mechanical system，MEMS)慣導(dǎo)器件，即可組成MEMS INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)；利用MEMS INS輸出的姿態(tài)信息進行傾斜補償，能夠打破傳統(tǒng)的RTK測量模式，大大提高作業(yè)效率。

傳統(tǒng)GNSS RTK(real-time kinematic)能夠達到厘米級的定位精度，可用于高精度位置測繪。但是在傳統(tǒng)RTK測量過程中，需要嚴格對中并扶直測量桿，這不僅使得有些點(墻根點、地下管道管口內(nèi)側(cè)點等)無法進行測繪，還會導(dǎo)致作業(yè)效率低下。近兩年，通過在RTK設(shè)備中集成慣性測量單元形成的“傾斜RTK”，可依靠INS或GNSS/INS組合給出的姿態(tài)角將天線相位中心的位置坐標補償至桿尖，從而確定困難點的坐標，實現(xiàn)了可傾斜的RTK測量。傾斜RTK在測量過程中測量桿無需保持豎直，也無需長時間靜止，在拓展RTK應(yīng)用范圍的同時也大大地提高了測量效率。

包括傾斜RTK在內(nèi)的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，航向初始化是一個關(guān)鍵點。由于INS的導(dǎo)航解算需要利用前一次的導(dǎo)航結(jié)果作為初始值，在首個歷元解算時就必須進行初始化處理。對于INS而言，位置和速度的初始化較為簡單，可以直接由外部信息源(如GNSS)提供；而姿態(tài)初始化較為復(fù)雜，一般由外部信息提供或者通過自對準獲得。載體靜止時，除了精度極低的慣導(dǎo)系統(tǒng)外，其他類型的INS均可通過自對準實現(xiàn)橫滾角與俯仰角的初始化，其本質(zhì)是利用加速度計感知重力矢量。在姿態(tài)初始化過程中，最為困難的是航向角初始化。自對準通過陀螺感知地球自轉(zhuǎn)矢量來確定北方向，此種方法對陀螺精度要求極高，陀螺零偏必須小于地球自轉(zhuǎn)角速度15deg/h，尤其不適用于低成本低精度的MEMS INS。同時，由外部信息源獲取的航向角精度并不理想，比如磁力計極易受到外部磁場的電磁干擾，而多天線GNSS定姿結(jié)果也常常包含著很大的噪聲。

當然，對于某些特定的應(yīng)用場景，可以使用特定的航向初始化方法：比如對絕大多數(shù)的車載導(dǎo)航而言，可以通過動對準進行航向初始化，此方法要求在車輛不轉(zhuǎn)彎時按一定速度行駛且前進方向與載體x軸對齊。而在低速運動(如農(nóng)用拖拉機)和手持設(shè)備的應(yīng)用過程中，航向初始化仍然是一個關(guān)鍵點和亟需解決的問題。以傾斜RTK應(yīng)用場景為例，思拓力的最新一代傾斜RTK測量儀S6Ⅱ通過磁校準確定北方向，容易受到磁場的干擾和影響；華測的慣導(dǎo)RTK需要手持設(shè)備前進10米，利用GNSS的位置與速度完成尋北。現(xiàn)有方案存在兩個明顯的缺點：一是使用磁力計尋北容易受到磁場干擾，可靠性較差；二是初始化時間較長，需要數(shù)秒至十幾秒，且需要運動數(shù)米至十幾米后才能使航向初始化精度達到可用水平，效率有待提高。