基于RTK的GNSS/INS实时组合导航系统设计

钟振 王祥

摘  要：GNSS/INS组合导航系统是将卫星导航系统和惯性导航系统有机结合，利用卫星导航长期稳定性好和惯性导航短时间精度高的特点进行互补的高精度组合导航系统。对GNSS/INS组合导航系统进行研究，RTK实时差分定位因其使用方便而在应用上有巨大优势，基于RTK的GNSS/INS组合导航原理设计一套低成本、高精度的实时组合导航系统。并将该导航系统与机载高光谱集成应用，通过试验验证该系统能够实时提供高精度的位置和姿态信息，能够满足机载等移动测量系统应用需求。

关键词：GNSS;INS;RTK;导航

中图分类号：TP311;TP391.4   文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）12-0072-04

Abstract： The GNSS/INS integrated navigation system is a high-precision integrated navigation system that organically combines the satellite navigation system and the inertial navigation system， and takes advantage of the good long-term stability of satellite navigation and the high short-term precision of inertial navigation. The GNSS/INS integrated navigation system is studied. RTK real-time differential positioning has great advantages in application due to its convenient use. Based on the GNSS/INS integrated navigation principle of RTK， a set of low-cost and high-precision real-time integrated navigation system is designed. The integrated application of the navigation system and airborne hyperspectral， experimental results show that the system can provide high-precision position and attitude information in real time， and can meet the application requirements of airborne and other mobile measurement systems.

Keywords： GNSS; INS; RTK; navigation

0  引  言

導航技术经过多年的发展出现了多种的导航系统，例如全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）、惯性导航系统（Inertial Navigation System， INS）、地磁导航、天体导航、激光雷达导航、视觉导航等[1-3]。虽然导航系统众多，但是由于单个导航系统都存在不可避免的短板，导致单个导航系统在稳定性和精度上存在瓶颈，而组合导航系统通过组合两种或者两种以上的导航系统，可以突破单个系统的瓶颈，大大提高了稳定性和精度[4-6]。在众多组合导航中，GNSS/INS组合导航因其导航效果好、适用范围广而被认为是最佳的组合导航系统。早期组合导航系统应用都是采用国外进口产品，例如有加拿大Novatel公司的span系列、美国Trimble公司的APX系列、法国SBG公司的Ellipse系列。近几年来随着无人机、机器人、无人驾驶等行业的快速发展，GNSS/INS组合导航的使用越来越广泛，各行业对组合导航产品的需求越来越大，对成本也越来越敏感。进口产品因成本过高渐渐被放弃使用，国内越来越多的企业、院校和科研机构也投入GNSS/INS组合导航研究[7-9]。

GNSS可以通过差分定位来提供厘米级别的高精度定位，包括RTK实时差分定位和PPK事后差分定位两种定位技术。RTK能够实时输出高精度的定位信息相对PPK使用更加方便，因此对于机载、车载、机器人等实时性要求高的系统有很大优势。本公司对基于RTK的GNSS/INS实时组合导航系统进行研究，设计一套低成本的组合导航系统，并将其应用在高光谱，通过试验证明该组合导航系统能够提供高精度的位置和姿态，能够满足机载等移动测量系统的应用需求。

1  GNSS/INS实时组合导航原理

GNSS可以提供高精度的导航输出，误差不随时间积累。但是卫星信号容易受到遮挡和干扰，不能输出姿态信息，且输出频率比较低。INS以牛顿力学定律为基础，通过对加速度计、陀螺仪数据进行时间积分推算出导航坐标系中的速度、姿态角位置等信息。INS导航有不依赖外部信息的优点，但系统误差随着时间积分越来越大。GNSS/INS组合导航将两种导航系统有机地组合起来，前者长期稳定性差但短期稳定性好，而后者刚好相反，两者在误差传播方面正好是互补的，从而提高导航系统的整体性能。

常用的组合导航有松耦合和紧耦合两种，松耦合利用INS和GNSS的位置和速度信息进行组合，GNSS独立与惯导系统，使用GNSS的位置和速度作为观测量输入，对INS系统进行校正从而得到高精度导航信息。紧耦合比松耦合复杂，GNSS不再独立工作，GNSS定位系统和惯导系统一起计算伪距和伪距率，GNSS与INS相互校正，可以获取更高精度的导航信息。但是紧耦合实现复杂，在实际工程中使用较少，大部分工程实际还是使用松耦合。

本文基于RTK实现松耦合的GNSS/INS实时组合导航，如图1所示。RTK实时输出位置和速度参数给到组合卡尔曼滤波器，组合卡尔曼滤波器估计INS误差。估算出来的INS误差，对INS导航参数进行校正，校正后的INS导航参数输出高精度的位置和姿态。

2  GNSS/INS实时组合导航系统设计

2.1  组合导航系统的硬件设计

GNSS/INS组合导航硬件系统主要由GNSS定位板卡、低成本MEMS IMU、控制系统和4G通信模块四个部分组成。GNSS定位板卡选取Novatel OEM718D，555跟踪通道，支持GPS/GLONASS/BEIDOU全系统多频信号接收，20 Hz数据更新速率，串口/USB多种接口通信，OEM718定位性能优越能够满足RTK高精度定位要求。IMU选取低成本的ADIS 16477，包括一个三轴的陀螺仪和一个三轴的加速计，零偏稳定性2°/hr。ADIS 16477价格便宜整体性价比高，满足项目低成本需求。控制平台选取Freescalei.MX6Q处理器，Cortex-A9四核、主频1 GHz、内存2 GB、存储16 GB，能够满足数据存储和导航算法处理速度的要求。4G模块采用移远的通信模块，主要用来获取实时差分校正信息。

2.2  组合导航系统功能设计

GNSS/INS组合导航系统功能主要包括GNSS与IMU的时间同步和组合导航算法实现，开发平台嵌入式ARM Linux平台，开发语言为C/C++。

2.2.1  IMU数据获取和时间同步

IMU原始数据通过硬件SPI接口直接获取，但IMU原始数据没有时间信息需要进行时间同步。时间同步具体实现方法：（1）接收GNSS定位板卡的PPS信号，PPS信号上升沿代表整秒到来，捕捉到上升进行标记。（2）接收GNSS定位板的GPRMC语句，并进行解析获得UTC时间。（3）根据标记和获得UTC时间对IMU数据标记时间戳，完成IMU与RTK数据的时间同步。

2.2.2  组合导航算法实现

算法整体流程如图2所示，首先获取IMU的原始数据，其次进行INS导航更新，然后将INS输入的位置、姿态、速度和RTK输入的位置和速度进行卡尔曼滤波获得位置、姿态和速度的误差，最后通过获得误差修正INS输出的位置、姿态和速度。

2.2.2.1  INS导航更新

INS导航涉及多个坐标系转换，常用的坐标系有4个：（1）地心惯性坐标系（ECI），是以地球质心为中心，以地球自转轴和恒星方向为坐标轴的坐标系。惯性测量值（角速度、比力）以此坐标系为参考系，符号i表示。（2）地心地固坐标系（ECEF）以地球质心为中心，z轴沿着地球自转轴从地心指向北极点（真极点，不是磁极点），x轴从地心指向赤道与零度子午线的交点，y轴由右手准则定义，符号e表示。（3）当地导航坐标系（Local Navigation frame）原点是由导航结果所描述的对象，可能是导航系统自身的一点、载体或用户的质心等。（4）北东地（X-N，Y-E，Z-D）是当地导航坐标系中最常用的轴系顺序，轴系满足右手准则，符号n表示;载体坐标系通常定义x轴为前向（即正常航行的方向），z轴为地向（即向下方向），y轴为右向，并由三个坐标轴组成正交坐标系，符号b表示。

INS的导航更新包含姿态更新、速度更新和位置更新，本文INS更新是在ECEF坐标系下。姿态更新：利用陀螺仪输入的角速率进行 更新，如式（1），其中  为  反对称矩阵，τi为积分时间， 是IMU载体坐标系到ECEF坐标系的转换矩阵。速度更新：速度更新先要进行比力坐标转换，IMU直接测量的是比力，借助坐标转换矩阵实现比力转换，如公式2，其中是在ECEF坐标系下的比力， 是测量值。速度更新利用加速度的测量通过积分进行速度更新，如式（3），其中  是重力加速度， 是ECEF坐标系下的速度，其中  为 反对称矩阵。位置更新：通过对速度进行积分就可以获得位置更新，如式（4），其中  是ECEF坐标系下的位置。

3  实验分析

3.1  实验系统概述

图3为本文开发的GNSS/INS组合导航系统，系统提供以太网、RS232、IO和电源接口，支持双天线和4G通信，数据更新频率可达到200 Hz。为验证组合导航系统的应用性能，将组合导航系统与机载高光谱相机进行集成，如图4所示，包含ResononPika-L高光谱相机和记录光谱数据的小型工控机。

3.2  实验设计

机载高光谱因无人机飞行平台的不稳定会导致图像发生畸变，利用组合导航系统提供的位置和姿态信息进行几何校正后可以消除畸变。为了验证组合导航系统对高光谱影像几何校正效果，选取试验场地需要地势平坦测试区域并有明显的几何特性和地物特征。本实验选取测区位于佛山伊之密體育公园（眉蕉河项目旁），长宽约300×90，场景内有一个篮球场，两个足球场及一个停车场，地势平坦，地面特征点较多。试验采用六旋翼无人机搭载高光谱系统，飞行航线来回两条，航高为100米、航速3.5 米/秒、航间距为67米。数据采集时组合导航系统实时提供位置和姿态数据，工控机同时记录位置姿态信息和高光谱数据并进行时间同步，采集完成进行几何校正。

3.3  实验结果分析

图5为高光谱图像的原始数据，从图像可以看出没有经过校正的数据变形扭曲严重，无法真正还原地物几何特征，通过组合导航提供的位置和姿态信息校正后，扭曲和变形有明显的改进，可以清晰看到足球场、篮球场、停车场和建筑几何特征，如图6所示。通过实验前布置的控制点验证，定位精度可以达到厘米，但是由于RTK本身的不稳定存在误差较大的情况，后续可以通过PPK提高定位精度。

4  结  论

本文对基于RTK的GNSS/INS组合导航系统进行研究，硬件上集成低成本的GNSS定位板卡和IMU，并实现GNSS/INS组合导航算法功能，形成一套低成本高精度的组合导航系统。将该系统直接应用高光谱系统中，通过试验证明该系统能够对畸变的高光谱图像进行有效的几何校正，能够满足机载等移动测量系统的应用需求。

参考文献：

[1] 万伟.MEMS INS/GNSS组合导航系统研究 [D].武汉：武汉大学，2019.

[2] 王东，范叶满，薛金儒，等.基于GNSS与视觉融合的山地果园无人机航迹控制 [J].农业机械学报，2019，50（4）：20-28.

[3] 金传开.北斗/INS紧组合导航系统研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2018.

[4] 苏景岚.车载视觉/INS/GNSS多传感器融合定位定姿算法研究 [D].武汉：武汉大学，2019.

[5] 崔海路.基于LiDAR和IMU融合的智能车组合定位导航技术研究 [D].济南：齐鲁工业大学，2021.

[6] 欧超.惯性/地磁组合导航方法研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.

[7] WAN G W，YANG X L，CAI R L，et al. Robust and Precise Vehicle Localization based on Multi-sensor Fusion in Diverse City Scenes [C]//2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation（ICRA）.Brisbane：IEEE，2018.

[8] 梁健.廉價GNSS/INS组合导航系统的研究 [D].上海：上海海洋大学，2019.

[9] 李团，章红平，牛小骥，等.RTK/INS紧组合算法在卫星数不足情况下的性能分析 [J].武汉大学学报（信息科学版），2018，43（3）：478-484.

[10] GROVES D P. Principles of GNSS，inertial，and multisensor integrated navigation systems [J]. Industrial Robot，2013，67（3）：191-192.

作者简介：钟振（1981.08—），男，汉族，广东惠来人，中级职称，硕士，研究方向：多传感器融合、导航与控制、人工智能。