?這篇文章旨在為讀者提供一個易于理解的INS/GNSS組合導(dǎo)航入門知識。通過簡潔明了的解釋和示意圖，介紹了INS和GNSS的基本概念及其結(jié)合的優(yōu)勢，解析了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，幫助讀者輕松了解這一技術(shù)在無人駕駛中的應(yīng)用。 什么是INS/GNSS組合導(dǎo)航？在無人駕駛領(lǐng)域，高精度的定位和導(dǎo)航以及時鐘授時是當(dāng)前主流技術(shù)方案里不可或缺的部分。這正是INS/GNSS組合導(dǎo)航發(fā)揮作用的地方。 INS/GNSS組合導(dǎo)航是一種將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）結(jié)合在一起的技術(shù)。通過綜合利用這兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，可以提供更高精度、更可靠的定位和導(dǎo)航服務(wù)。 INS（Inertial Navigation System / 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)） - INS 通常包含一個 IMU 和一個計算單元，使用復(fù)雜的算法（如卡爾曼濾波）來融合數(shù)據(jù)，進行位置和姿態(tài)的推算。
- IMU 是一種傳感器設(shè)備，主要包含加速度計和陀螺儀，用于測量線性加速度和角速度。IMU 提供原始的運動數(shù)據(jù)，但不進行任何位置計算。
- INS 的優(yōu)點是可以在沒有外部信號的情況下獨立工作，但由于誤差會隨著時間累積，其準(zhǔn)確性會逐漸下降。
GNSS（Global Navigation Satellite System / 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)） - GNSS 利用衛(wèi)星信號提供全球范圍內(nèi)的定位服務(wù)，常見的系統(tǒng)包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略等。
- GNSS 可以直接提供高精度的絕對位置以及 RTK 授時，確保在各種環(huán)境下都能獲得準(zhǔn)確的位置信息。
為什么要將 INS 和 GNSS 組合在一起？ 將 INS 和 GNSS 組合在一起，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，彌補單一系統(tǒng)的不足。INS 能夠在 GNSS 信號短暫中斷時繼續(xù)提供短時間內(nèi)較為準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)，而 GNSS 則可以定期校正 INS 的累積誤差，提供高精度的絕對位置。這種組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能提高精度，還能增強系統(tǒng)的可靠性和連續(xù)性，確保在各種復(fù)雜環(huán)境下都能獲得穩(wěn)定的導(dǎo)航和定位服務(wù)。 組合導(dǎo)航長啥樣？
上面的示意圖，基本就是常見的組合導(dǎo)航結(jié)構(gòu)。 從數(shù)據(jù)流的角度來理解它： - 通過雙天線搜索衛(wèi)星，需要至少搜到 4 顆才能進行基本的三維定位和授時。為了獲得更高精度和更可靠的定位，一般會需要搜到 8 顆或更多的衛(wèi)星，通過冗余數(shù)據(jù)減少誤差。
- 組合導(dǎo)航內(nèi)的 GNSS 接收器對衛(wèi)星信號進行處理和解碼，輸出多種 NMEA 數(shù)據(jù)以及 PPS 信號。
- NMEA 全稱 National Marine Electronics Association，有多種數(shù)據(jù)格式，比如 GPRMC、GPGGA 等。
- 組合導(dǎo)航將 GPRMC + PPS 會傳輸給域控，由域控中的 gpsd 這種軟件來監(jiān)聽和處理，產(chǎn)生所謂的 RTK 授時。
- GPRMC 全稱 Recommended Minimum Specific GPS/Transit Data，提供了基本的導(dǎo)航信息，如時間、位置、速度、航向和日期等。
- PPS 全稱 Pulse Per Second，是一種高精度時間脈沖信號，通常由 GNSS 接收器輸出，用于同步系統(tǒng)的時鐘。每秒鐘輸出一個脈沖，準(zhǔn)確地標(biāo)記時間。
- 組合導(dǎo)航將 GPGGA 經(jīng)由 DTU 傳輸給千尋之類的服務(wù)，獲得 RTCMv3 協(xié)議的實時差分 GPS（DGPS）校正數(shù)據(jù)。
- GPGGA 全稱 Global Positioning System Fix Data，包含詳細的定位數(shù)據(jù)，如時間、緯度、經(jīng)度、衛(wèi)星數(shù)量、水平精度、海拔高度和地球橢球面與平均海平面的高差等。
- 千尋之類的服務(wù)，提供差分播發(fā)服務(wù)。它們基于全國的衛(wèi)星定位地基增強站（俗稱參考站），基于 RTK 的差分定位原理，提供厘米級精度的位置糾偏數(shù)據(jù)服務(wù)。
- DTU 全稱 Data Transfer Unit，是一種工業(yè)級設(shè)備，用于將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程透明傳輸。比如驛唐 MD-649 4G DTU。
- 實時差分校正數(shù)據(jù)：由于參考站的位置是已知的，參考站可以將其測得的 GNSS 位置與已知位置進行比較，計算出誤差，并生成校正數(shù)據(jù)。這些校正數(shù)據(jù)會發(fā)送給其他 GNSS 接收器（如無人車），幫助它們修正自己測得的位置，從而提高定位精度。這種方法可以使定位精度從幾米提高到幾厘米，非常適合無人駕駛和精密農(nóng)業(yè)等需要高精度定位的應(yīng)用。
- RTCMv3 全稱 Radio Technical Commission for Maritime Services Version 3，是用于傳輸實時差分 GPS（DGPS）校正數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
- 組合導(dǎo)航利用差分數(shù)據(jù)，對 GNSS 數(shù)據(jù)進行解算，獲得整數(shù)解，達到 RTK_INTEGER 狀態(tài)。
- RTK（Real-Time Kinematic）是一種高精度差分定位技術(shù)，利用 GNSS 接收的載波相位測量值和參考站的校正數(shù)據(jù)，能夠在厘米級別的精度范圍內(nèi)提供定位服務(wù)。
- 組合導(dǎo)航根據(jù)指令提供位置、速度、姿態(tài)等信息給工控機，用于無人車的定位、導(dǎo)航等。
- 至于具體用什么指令獲取什么數(shù)據(jù)，不同廠家的設(shè)備會有不同，根據(jù)各自的通訊協(xié)議文檔來即可。
- 組合導(dǎo)航這里給出去的數(shù)據(jù)，已經(jīng)是融合了 IMU 數(shù)據(jù)和 GNSS 數(shù)據(jù)的高精度結(jié)果。
- 如果組合導(dǎo)航同時接入車身 CAN，那么還可以獲取輪速計信息，利用輪速計的速度信息校正 INS 的速度估計。
更深層次的探索INS/GNSS 組合導(dǎo)航涉及多種復(fù)雜的數(shù)學(xué)概念和計算方法，比如： - 這是用于融合多種傳感器數(shù)據(jù)的最常見算法。它能夠動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)估計，并且在面對不確定性時表現(xiàn)優(yōu)異。卡爾曼濾波用于 INS 中，以提高位置和姿態(tài)的估計精度。
- 在 RTK 定位中，整數(shù)模糊度解算用于將浮動解轉(zhuǎn)化為固定解（整數(shù)解）。這是實現(xiàn)厘米級精度定位的關(guān)鍵步驟，通過求解載波相位的整數(shù)倍來實現(xiàn)。
- INS 和 GNSS 的數(shù)據(jù)融合需要解決多個數(shù)據(jù)源之間的不同步和誤差問題。這通常涉及多傳感器融合算法，如擴展卡爾曼濾波（EKF）和無跡卡爾曼濾波（UKF），以優(yōu)化整體導(dǎo)航解算。
- GNSS 定位需要處理各種坐標(biāo)系，如地心地固坐標(biāo)系（ECEF）和地理坐標(biāo)系（WGS84）。不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，以確保定位精度。例如，從地心地固坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)氐钠矫孀鴺?biāo)系，需要考慮地球的形狀和參考橢球體的參數(shù)。
這些數(shù)學(xué)概念和計算方法是 INS/GNSS 組合導(dǎo)航的核心，感有興趣的讀者，可以找資料研究。
|
