一种倾斜RTK航向初始化方法技术

本发明专利技术提出了一种倾斜RTK应用场景下通过匹配RTK轨迹与INS轨迹计算INS初始航向角误差的方法，能够在2s内实现精度为1deg的航向角初始化。本发明专利技术提出的INS轨迹推算方法不使用加速度计，并且在测量开始阶段通过静止扣除大的零偏初值，保证了INS解算轨迹的精度。同时，本发明专利技术的方法操作简单、易于实现，只需原地来回晃动测量杆即可，超快速的初始化时间也大大地提高了测量效率。与一般倾斜RTK航向初始化方法相比，本发明专利技术的方法不需使用磁力计，不会受到磁场干扰，在复杂环境中具有更强的适应性。

An initialization method of tilt RTK heading

【技术实现步骤摘要】
一种倾斜RTK航向初始化方法
本专利技术属于MEMSINS/GNSS组合导航系统航向初始化领域，特别涉及一种针对倾斜RTK的快速精确的航向初始化方法。
技术介绍
惯性导航系统(inertialnavigationsystem,INS)是推算导航系统的范例，具有自主性完全、可靠性高、动态性能好等优点，然而由于其误差会随时间不断积累，常常需要其他的导航手段进行辅助与校正。与INS相比，全球卫星导航定位系统(globalnavigationsatellitesystem,GNSS)可以实现长时间较高精度的定位，误差不随时间积累；但也具有输出频率低、无法进行连续定位、无法输出姿态信息等缺点。将二者结合在一起，组成INS/GNSS组合导航系统，可以提供连续、高带宽、长时和短时精度均较高的、完整的导航参数。INS/GNSS组合导航系统可应用于众多领域，以倾斜RTK应用场景为例，加入低成本的微机械(micro-electro-mechanicalsystem，MEMS)惯导器件，即可组成MEMSINS/GNSS组合导航系统；利用MEMSINS输出的姿态信息进行倾斜补偿，能够打破传统的RTK测量模式，大大提高作业效率。传统GNSSRTK(real-timekinematic)能够达到厘米级的定位精度，可用于高精度位置测绘。但是在传统RTK测量过程中，需要严格对中并扶直测量杆，这不仅使得有些点(墙根点、地下管道管口内侧点等)无法进行测绘，还会导致作业效率低下。近两年，通过在RTK设备中集成惯性测量单元形成的“倾斜RTK”，可依靠INS或GNSS/INS组合给出的姿态角将天线相位中心的位置坐标补偿至杆尖，从而确定困难点的坐标，实现了可倾斜的RTK测量。倾斜RTK在测量过程中测量杆无需保持竖直，也无需长时间静止，在拓展RTK应用范围的同时也大大地提高了测量效率。包括倾斜RTK在内的GNSS/INS组合导航系统的应用过程中，航向初始化是一个关键点。由于INS的导航解算需要利用前一次的导航结果作为初始值，在首个历元解算时就必须进行初始化处理。对于INS而言，位置和速度的初始化较为简单，可以直接由外部信息源(如GNSS)提供；而姿态初始化较为复杂，一般由外部信息提供或者通过自对准获得。载体静止时，除了精度极低的惯导系统外，其他类型的INS均可通过自对准实现横滚角与俯仰角的初始化，其本质是利用加速度计感知重力矢量。在姿态初始化过程中，最为困难的是航向角初始化。自对准通过陀螺感知地球自转矢量来确定北方向，此种方法对陀螺精度要求极高，陀螺零偏必须小于地球自转角速度15deg/h，尤其不适用于低成本低精度的MEMSINS。同时，由外部信息源获取的航向角精度并不理想，比如磁力计极易受到外部磁场的电磁干扰，而多天线GNSS定姿结果也常常包含着很大的噪声。当然，对于某些特定的应用场景，可以使用特定的航向初始化方法：比如对绝大多数的车载导航而言，可以通过动对准进行航向初始化，此方法要求在车辆不转弯时按一定速度行驶且前进方向与载体x轴对齐。而在低速运动(如农用拖拉机)和手持设备的应用过程中，航向初始化仍然是一个关键点和亟需解决的问题。以倾斜RTK应用场景为例，思拓力的最新一代倾斜RTK测量仪S6Ⅱ通过磁校准确定北方向，容易受到磁场的干扰和影响；华测的惯导RTK需要手持设备前进10米，利用GNSS的位置与速度完成寻北。现有方案存在两个明显的缺点：一是使用磁力计寻北容易受到磁场干扰，可靠性较差；二是初始化时间较长，需要数秒至十几秒，且需要运动数米至十几米后才能使航向初始化精度达到可用水平，效率有待提高。综上，在倾斜RTK应用场景中，通过INS或GNSS/INS提供测量杆精确的三轴姿态至关重要。由于MEMSINS无法进行自寻北(即航向初始化)，因此如何快速，精准地获得INS的初始姿态是需要解决的关键问题。本专利技术以倾斜RTK实例，包括但不限于此应用场景，提出一种简单有效的航向初始化方法。
技术实现思路
针对低速运动和手持设备的应用过程中INS航向快速准确初始化的需求以及现有技术所存在的不足，本专利技术提出了一种倾斜RTK应用场景下基于轨迹匹配原理确定INS初始航向误差的方法，实现精度为1deg的航向角初始化，可在2s之内完成航向初始化。本专利技术采用如下的技术方案：一种基于轨迹匹配原理确定INS初始航向误差的方法，主要是通过晃动测量杆形成一段IMU的运动轨迹线，计算该运动轨迹的RTK轨迹与INS轨迹的角度偏差，得到INS的初始航向误差；所述的技术方案包括以下步骤：步骤1，将测量杆平放于平坦整洁的地面上，静止m分钟，用于确定大的陀螺零偏初值；步骤2，扶起测量杆，杆尖触地，倾斜测量杆准备开始晃动，晃动开始前保持静止m秒，用于确定初始的横滚角和俯仰角；步骤3，测量杆触地，杆尖保持不动，顶端晃动，形成一段运动轨迹线，称之为IMU轨迹线，然后通过如下步骤解算获得INS初始航向误差；31)通过RTK解算得到天线相位中心的位置，并将上述位置投影到IMU中心，形成一段轨迹线，称之为RTK轨迹；32)利用定位传感器的测量值解算IMU中心的位置，形成一段轨迹线，称之为INS轨迹；33)通过匹配RTK轨迹与INS轨迹，计算出INS的初始航向角误差。进一步的，步骤32)得到具体实现方式如下，倾斜RTK的IMU位置与测量杆底端触底部位的位置关系描述如下：式中，n表示当地坐标系n系，n系是以IMU相位中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b表示载体坐标系b系，b系是以IMU相位中心为原点，x轴指向载体前进方向，y轴垂直于x轴指向载体右侧，z轴与x轴和y轴垂直并构成右手系；表示测量杆触地点的位置向量，投影在n系，T表示杆尖；表示IMU位置向量在n系下的投影；为姿态矩阵；lb为IMU中心指向触地点的向量，在b系下的投影；进一步将IMU的位置推算公式改写为式中右边只有姿态矩阵随时间变化，因此只要求解出每个时刻的姿态即完成IMU位置的推算，姿态更新算法描述如下：(3)式通过姿态四元数q更新姿态，其中，k-1表示上一时刻，k表示当前时刻，则当前时刻b系到n系的四元数进一步分解为上式所示的3个四元数：和分别表示n系和b系的姿态变化，是上一时刻的四元数；其中，的更新忽略不计，b系的姿态变化简化为：其中，Δθk和Δθk-1分别是当前时刻和上一时刻的陀螺角增量输出。进一步的，步骤33)的具体实现方式如下，将RTK轨迹所确定的坐标系记为参考坐标系r系，将INS轨迹所确定的坐标系记为计算坐标系c系，r系与c系简化为两个共面的二维坐标系，两个坐标系之间的夹角即为初始航向角误差，选择三参数：初始航向角误差θ、北向平移距离N、东向平移距离E，构建如下坐标转换矩阵：其中表示c系到r系的坐标转换矩阵，依据坐标转换原理，建立如下观测方程：...

【技术保护点】
1.一种倾斜RTK航向初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1，将测量杆平放于平坦整洁的地面上，静止m分钟，用于确定大的陀螺零偏初值；/n步骤2，扶起测量杆，杆尖触地，倾斜测量杆准备开始晃动，晃动开始前保持静止m秒，用于确定初始的横滚角和俯仰角；/n步骤3，测量杆触地，杆尖保持不动，顶端晃动，形成一段运动轨迹线，称之为IMU轨迹线，然后通过如下步骤解算获得INS初始航向误差；/n31)通过RTK解算得到天线相位中心的位置，并将上述位置投影到IMU中心，形成一段轨迹线，称之为RTK轨迹；/n32)利用定位传感器的测量值解算IMU中心的位置，形成一段轨迹线，称之为INS轨迹；/n33)通过匹配RTK轨迹与INS轨迹，计算出INS的初始航向角误差。/n

【技术特征摘要】
1.一种倾斜RTK航向初始化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将测量杆平放于平坦整洁的地面上，静止m分钟，用于确定大的陀螺零偏初值；
步骤2，扶起测量杆，杆尖触地，倾斜测量杆准备开始晃动，晃动开始前保持静止m秒，用于确定初始的横滚角和俯仰角；
步骤3，测量杆触地，杆尖保持不动，顶端晃动，形成一段运动轨迹线，称之为IMU轨迹线，然后通过如下步骤解算获得INS初始航向误差；
31)通过RTK解算得到天线相位中心的位置，并将上述位置投影到IMU中心，形成一段轨迹线，称之为RTK轨迹；
32)利用定位传感器的测量值解算IMU中心的位置，形成一段轨迹线，称之为INS轨迹；
33)通过匹配RTK轨迹与INS轨迹，计算出INS的初始航向角误差。


2.如权利要求1所述的一种倾斜RTK航向初始化方法，其特征在于：步骤32)得到具体实现方式如下，
倾斜RTK的IMU位置与测量杆底端触底部位的位置关系描述如下：



式中，n表示当地坐标系n系，n系是以IMU相位中心为原点，x轴平行于当地水平面指向正北，y轴平行于当地水平面指向正东，z轴垂直于当地水平面向下，三者构成右手系；b表示载体坐标系b系，b系是以IMU相位中心为原点，x轴指向载体前进方向，y轴垂直于x轴指向载体右侧，z轴与x轴和y轴垂直并构成右手系；表示测量杆触地点的位置向量，投影在n系，T表示杆尖；表示IMU位置向量在n系下的投影；为姿态矩阵；lb为IMU中心指向触地点的向量，在b系下的投影；
进一步将IMU的位置推算公式改写为



式中右边只有姿态矩阵随时间变化，因此只要求解出每个时刻的姿态即完成IMU位置的推算，姿态更新算法描述如下：



(3)式通过姿态四元数q更新姿态，其中，k-1表示上一时刻，k表示当前时刻，则当前时刻b系到n系的四元数进一步分解为上式所示的3个四元数：...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈起金，牛小骥，林欢，郭若南，赖昌鑫，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42