CN107462904A - Gnss和ins融合的高精度gnss终端动态定位检测车及检测方法 - Google Patents

Gnss和ins融合的高精度gnss终端动态定位检测车及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，是一个集供电***、计算机***、通讯***、惯性导航***、卫星导航***、卫星信号接收转发***等功能于一体的作业平台，所有装置设置在车内，本发明在时空同步观测的基础上，充分发挥多星座多频GNSS冗余观测数据的优势，同时利用INS自主性强、不受环境干扰的特性，以构建多频GNSS定位为主、INS 增强辅助的新型GNSS/INS紧组合定位模式，进而融合CORS数据事后联合解算，形成一套INS增强GNSS的动态连续定位高精度检定方法。本发明方便用户外业测量，改变了传统以“静”检“动”的作业模式，动态性强、检测精度高、不受检测环境限制。

Description

GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车及检测 方法
技术领域
本发明属于全球导航卫星***(GNSS)测试评估技术领域，涉及一种实时动态定位技术，具体涉及一种GNSS/INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车及检测方法。
背景技术
GNSS***，全球导航卫星***，是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航***，提供高精度，高可靠性的定位服务，可以进行覆盖全球的导航和定位功能，发送实时的高精度定位信息，***先进而且可靠。
相对于静态场景，GNSS动态定位的瞬时性和空间变化特征显著，定位误差内部产生机制与外部环境影响更加复杂，如何有效评价动态条件下的GNSS定位性能一直是国际上研究的难点和热点问题。早在GPS***开发期间，相关机构就开始了GNSS动态定位检定方法的研究，先后发展了几何轨迹检测、双天线检测和非卫星定位辅助检测等方法，上述方法通过建立特定观测环境的检测场，以连续点位或相对基线长为基准，实现绝对动态定位米级、相对动态定位厘米级的有效评估。以RTK为代表的定位技术将GNSS精度带入一个新阶段（实时动态定位三维精度优于5厘米），并已广泛应用到产权调查动态测量等关键领域，但由于更高精度（亚厘米至毫米级）且不间断参考基准的缺失，目前主要通过野外基线场事后静态基线解算的方法进行评价，这种以“静”检“动”的评估方法难以客观反映环境因素（如多径）、载体运动特征对高精度定位性能的影响，对RTK等动态定位能力缺乏客观认识，如何在真实动态条件下评估高精度GNSS定位性能成为动态检定的新需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车及检测方法，重点研究同源GNSS信号转发时空同步，突破INS辅助多星座多频GNSS的高精度检测基准构建，研制真实路测环境下的车载高精度GNSS动态定位检测***，实现基准设备即使在恶劣观测环境条件下高动态运动过程中也能保持定位的连续性，实现对待检设备位置、姿态、速度的实时检测。
一种GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，包括车体、设备机柜、液晶显示器，
在车体的顶部外侧设置有支持三***八频点的卫星信号接收天线和手机信号接收天线，在车体的顶部内侧设置有吸顶式的液晶显示器；
设备机柜为封闭的方框型结构，设备机柜设置在后备箱内，设备机柜内部分为左、右两部分，其中左部分为两层搁架，上层搁架上设置有工控机、配电面板，所述工控机的显示屏嵌在设备机柜的前面，下层搁架上设置有卫星导航基准设备、惯性导航测量单元，车载电瓶和车用电瓶固定在搁架下方的车体内部底部，车载电瓶和车用电瓶之间有隔离器；
设备机柜的右侧部分设置为内壁具有电磁信号吸收能力的屏蔽黑箱，屏蔽黑箱的内壁贴附有电磁屏蔽材料，屏蔽黑箱上设置有支持三***八频点的卫星信号转发天线和手机信号增强***的室内转发天线，左侧内壁放置有工业级无线路由器SIM卡信号接收天线，屏蔽黑箱的底部放置待检测卫星导航定位终端；
设备机柜的顶端部分具有较大的平面空间，设置有逆变器、电池充电器、一分四卫星信号功分器、卫星信号功放器、手机信号增强器；
卫星信号接收天线、卫星信号功放器、卫星信号功分器、卫星信号转发天线、屏蔽黑箱等组成卫星信号接收转发***，为待检设备和车载组合导航***提供统一的实时卫星信号源；大容量车载电瓶、逆变器、充电器、隔离器等组成车载供电***，用于***所有车载设备的电源供应和补充；手机信号接收天线、手机信号增强器、手机信号转发天线、工业级无线路由器等组成通讯***，用于整个车载检测***和待检设备与CORS中心的数据交互；一台高精度的兼容BDS/GPS/GLONASS测向型的多模多频GNSS接收机和一个高精度高可靠的捷联惯性测量单元组成组合导航基准***，为设备检测提供用于对比的标准数据信息，并通过接入CORS***，提供实时高精度定位结果。
与现有技术相似，所述车体为整个检测***的搭载平台，并完成检测过程中的正常操作；所述设备机柜为相关硬件的安放平台，采用合理的结构设计和安装布局，保证各硬件之间良好的连接；所述卫星信号接收天线用于实时接收三***八频点的卫星信号，并通过馈线将接收的信号发送给卫星信号功放器和功分器；将接收到的卫星信号分为四路相同的信号输出，一路通过馈线输出至卫星导航基准设备，二路通过馈线输出至卫星信号转发天线，三路和四路作为备用信号输出端口，便于事后数据采集与分析；所述卫星信号转发天线将接收的卫星信号以无线的方式转发到屏蔽黑箱内，供待检测卫星导航定位终端接收；所述电磁屏蔽材料可吸收发射到屏蔽黑箱内壁的电磁信号，防止卫星信号反射造成的多路径效应，采用粘贴的方式将其贴附与屏蔽黑箱内壁；所述卫星导航基准设备对接收的GNSS数据流和INS数据流进行紧组合定位解算得到车体实时的位置、速度、姿态等信息；并将得到的定位信息进行编码，再通过4G网络上传到CORS中心；所述待检测卫星导航定位终端对接收到的GNSS数据流也通过相关处理后得到相应的位置信息，同时也上传到CORS中心；所述室外手机信号接收天线可接收2/3/4G信号，通过馈线将信号发送到手机信号增强器；所述手机信号增强器对接收到的 2/3/4G信号实现放大，保证检测过程中的2/3/4G信号的强度和稳定性；所述室内手机信号转发天线可发送2/3/4G信号，保证屏蔽黑箱内有稳定的2/3/4G信号，实现待检卫星导航定位终端与外界稳定且正常的通信；所述逆变器将直流电转变为交流电，供车载相关设备使用，通过电缆与车载电瓶连接；所述双电瓶隔离器智能管理车载电瓶和车用电瓶，保证本车电瓶和加装电瓶良好正常的工作；所述配电面板完成车载各功能部件的供电开关控制以及相应的接口输入输出；所述车载电瓶作为车载***的电量储存装置，为车载相关设备供电；所述蓄电池充电器完成对车载电瓶的充电；所述嵌入式工控机是整个***的数据处理中心，安装有监控检测软件***，接收CORS中心处理数据，具有包括数据获取、数据分析、数据显示等的功能。
基于本发明方案的面向实测环境的高精度动态检测车，采用一天线多接收机，利用卫星信号接收转发***通过卫星信号功放器和卫星信号功分器将车外卫星信号传递至车内屏蔽黑箱的转发天线，所有待检设备接收转发天线接收到的卫星信号，同时基准设备与卫星信号功分器直接相连，保证了信号源的同一性。基准设备和待检设备的定位解算结果均为车顶天线的坐标位置，利用卫星信号功分器的各个分发接口信号相同这一特性，对于定位结果解算的可靠性提供了最直接的判定依据。利用转发装置及屏蔽黑箱，将所有设备的信号传播误差影响统一，减少了接收机误差影响之外其他因素对于性能判定的影响。另外，基准设备采用多摸多频GNSS卫星导航设备和IMU惯性测量单元，能采集BDS/GPS/GLONASS实时GNSS数据流和INS数据流，基准站设备将GNSS数据和INS数据上传到工控机后，存储后进行事后解算。多模多频数据和惯导数据以紧组合的方式融合解算，定位结果及运行轨迹的可靠性得到了保证。同时，基准站设备与待检设备同时接入CORS中心，数据的同步性也得到了保证。基准站设备的实时结果和事后结果联合用作标准，保证了待检设备、基准设备定位精度等指标具有可比性。而且，车载软件***实时获取基准设备的定位信息并实时显示，保证了检测工作的实时性和动态性。
优选的，所述设备机柜的后壁为镂空结构。
优选的，所述卫星信号接收天线支持三***八频点。
优选的，所述设备机柜的底部支撑脚均设置有减震结构。
一种GNSS/INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的检测方法，包括以下步骤：
1)实时获取卫星导航***和惯性导航***的原始数据；
2)将所述原始数据进行实时解析得到GGA信息，并通过车载通讯***登录到CORS后获取相应的差分改正信息；
3)利用上述差分改正信息和原始数据在卫星导航***的设备内部进行实时GNSS/INS紧组合RTK解算，实现实时动态的高精度检定基准；
4)基于上述检定基准和车载卫星信号接收转发***的信号同源同步转发，可对屏蔽黑箱内的待检卫星导航定位终端进行实时检测。
优选的，在本发明中，步骤2)中，所述差分改正数据通过NRTIP协议获得，根据NTRIP CASTSER地址、端口、挂载点、用户名和密码从CORS中心服务器实时获取。
优选的，在本发明中，步骤3)中，所述的GNSS/INS组合的方法采用紧组合方式。
优选的，在本发明中，步骤4)中，所述的实时动态检测方法采用同源同步观测并建立高精度的检定基准的方式，实时比较待检设备和基准设备的定位偏差。
本发明的有益效果是：
GNSS/INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的成功研制建立了GNSS/INS的动态定位高精度检定基准，为高精度动态检测服务提供了数据保证；实现了高精度GNSS动态定位精度评定，为高精度动态检测服务提供了精度保证；提出了一种面向真实路测环境的高精度GNSS动态定位检测方法，保证了高精度动态检测服务不再受检测环境的限制。其后续的推广应用，将有效促进了我国北斗导航定位设备的设计与研发，为北斗卫星导航***在国土、测绘等传统行业和智能交通等新兴行业的示范应用提供了基础保障，也能进一步推动我国北斗卫星导航***的工程化应用；另外，更为重要的是建立了计量意义上的GNSS动态定位性能检定规范，进一步促进测绘仪器检测行业的发展。
附图说明
图1为本发明的检测***结构图；
图2为本发明的检测原理流程图；
图3为本发明的车体内部后视结构示意图；
图4为本发明的车体内部俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明采用SUV的城市越野车作为检测车，在车体1的顶部外侧设置有支持三***八频点的卫星信号接收天线9和手机信号接收天线18，在车体的顶部内侧（天窗部位）设置有吸顶式的液晶显示器5；所述车载设备机柜12内设备包括：车载工控机6、卫星导航基准设备10、惯性导航测量单元8、待检测卫星导航定位终端15，车载设备机柜12外设备包括：卫星信号功放器17、卫星信号功分器3、手机信号增强器14、工业级无线路由器、车载电瓶11、车用电瓶、逆变器7、充电器4、手机信号转发天线18、卫星信号转发天线9等设备，设备机柜12尺寸为：长（1.2米）*宽（0.6米）*高（0.8米），质量为50千克，设备机柜12采用固定式且外观封闭式安装。
本发明所述车载工控机6采用专业的车载设备，具备很好的抗震效果。整个机身全部固定在车载设备机柜12左侧第一层搁架上，工控机的总控开关与指示灯均引出到配电面板，方便操作与观察。
本发明所述的卫星信号接收转发***包括卫星信号接收天线2、卫星信号功放器17、一分四卫星信号功分器3以及卫星信号转发天线18组成，卫星信号接收天线2在使用时放置在车体1顶部，卫星信号功放器17和功分器3安装在设备机柜12顶部平面，卫星信号转发天线18固定在屏蔽黑箱13内部顶端。卫星信号接收转发***同时为基准设备、待检设备提供相同的信号源，同时控制信号强弱，满足不同条件下的测试需要，保证天线相位中心位于同一位置，以保证待检设备、基准设备定位精度等指标具有可比性，卫星信号功放器17和卫星信号功分器3共同工作完成对接收到卫星信号的放大与分发，从而保证基准设备和待检设备能够接收到高质量且相同的卫星信号。
本发明所述的车载组合导航基准***由卫星导航基准接收机10和惯性导航测量单元8组成，均固定在车载设备机柜12左侧第二层搁架上，车载组合导航基准***输出高精度的动态定位数据而不受环境影响，可作为待测设备的检测基准，***可实时接入CORS***，并提供实时高精度定位结果及事后标准数据，在GNSS信号连续的情况动态后处理精度高达厘米级甚至毫米级，车载GNSS/INS组合基准通过GNSS卫星导航技术和INS技术的相互补充，既能保证在GNSS***不可靠的情况下利用INS数据不间断地得到高精度的位置信息和姿态信息，也能保证在INS***误差变大的情况下，利用GNSS数据对INS***进行修正来继续输出高精度的位置信息和姿态信息，满足用户对数据可靠性和持续性的严格要求。
本发明所述的手机信号增强***由室外手机信号接收天线16、手机信号增强器14和室内手机信号转发天线18组成，手机信号接收天线16在使用时放置在车体顶部，手机信号增强器14安装在设备机柜12顶部平面，手机信号转发天线18固定在屏蔽黑箱内部顶端，车载设备需要通过4G网络实现与CORS中心的数据交互，为了将4G手机信号引入到屏蔽黑箱13内，通过该套装置实现信号的增强与中继。
本发明所述的屏蔽黑箱13设置在设备机柜12右侧箱体，内壁采用EMI系列电磁屏蔽材料，具有很好的从十兆赫兹到千兆赫兹干扰噪音的吸收衰减作用，它能消除屏蔽黑箱内电磁波的来回反射，减少杂波对自身设备的干扰，是一种消除电磁干扰污染的主要方法；同时，EMI材料具有可折弯、吸收体含结构粉末和易裁切成所需要的各种形状的特点，从而保证电磁屏蔽黑箱能全方位无死角的吸收电磁波，保证待检设备之间无相互干扰。
本发明所述的车载供电***主要是由车载电瓶11、逆变器7、充电器4、隔离器组成，车载电瓶11直接固定在设备机柜12左侧底部并与车体内部底侧相连，逆变器7和充电器4安装在设备机柜12顶部平面，根据车载设备的总功耗，结合车辆发电机的输出功率，选择功率较大的工作电源，在保证车辆正常行驶状况下工作电源不间断位车载设备供电，加有隔离稳压电路，保证工作电源的电压、电流不受车辆启动等情况下冲击电流影响，增强车载***的稳定性；车辆配备一只大容量的蓄电池，可对全部设备较长时间的供电。另外，***具有外接输出电源插口，可为***以外的设备提供短时间的供电，确保检测工作在各种情况下展开。而且，***具有专用车载外接输入电源接口，可直接与市电连接，在具有市电条件下可方便地使用市电进行工作，而且还可为车载电瓶进行充电。在车辆行驶时，车辆发电机可为电瓶进行充电，避免了***电量不易补给的尴尬状况（车用电瓶是汽车本身的电瓶，固定在搁架下方的车体内部底部，车载电瓶和车用电瓶之间有隔离器）。
本发明的GNSS/INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的车载监控显示软件是整个***的神经中枢，监控显示软件***主要由数据通讯模块、数据处理模块、计算机设备三部分组成。数据通讯模块主要负责计算机设备与基准设备之间的直接数据传输以及车载设备与CORS中心的数据交互等。数据处理模块作为车载监控显示软件***的核心部分，主要负责数据获取，数据处理，数据分析，数据显示，数据存储等功能。计算机设备是整个车载监控显示软件***的载体，包括车载工控机，车载显示设备等。计算机设备用于数据处理软件及相关车载配置软件的安装、运行以及于基准设备数据的实时存储。数据通讯模块与数据处理模块之间的交互也依存于计算机设备。
本发明的实时差分改正数据通过NTRIP协议向CORS中心服务器实时获取。NTRIP协议是基于HTTP协议改变而来，经过RTCM委员会认证，作为一种GNSS卫星差分数据传输的专用协议。NTRIP协议主要有三部分构成：Ntrip client、Ntrip server和Ntrip caster。Ntrip client和Ntrip server为HTTP的客户端，Ntrip caster为HTTP的服务端。Ntripcaster负责接收Ntrip server和Ntrip client的请求并处理响应。本发明采用NTRIPclient模式获取差分改正数据，通过rtklib下的数据抓包软件strsvr设置ntrip连接的输入模式及参数如Caster Ip、端口、挂载点等；然后向Ntrip caster发送连接请求；判断连接是否成功，如请求成功后，如果Ntrip caster有数据输出，则通信正常，发送差分改正数据。
本发明的高精度定位采用车载卫星导航***设备内部成熟的紧组合RTK定位算法。将高精度GNSS和IMU进行紧耦合解算，通过GNSS卫星导航技术和INS技术的相互补充，既能保证在GPS***不可靠的情况下利用INS数据不间断地得到高精度的位置信息和姿态信息，也能保证在INS***误差变大的情况下，利用GNSS数据对INS***进行修正来继续输出高精度的位置信息和姿态信息，同时利用NTRIP协议获取的差分改正数据进行实时RTK解算，满足用户对数据可靠性和持续性的严格要求。
本发明通过上述算法，实时定位可达到厘米级精度，满足高精度的实时检测需求。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (8)

1.GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，其特征在于：包括车体、设备机柜、液晶显示器；
在车体的顶部外侧设置有卫星信号接收天线和手机信号接收天线，在车体的顶部内侧设置有吸顶式的液晶显示器；
设备机柜为封闭的方框型结构，设备机柜设置在后备箱内，设备机柜内部分为左、右两部分，其中左侧部分为多层搁架结构，在搁架上设置有：工控机设置在最上一层，所述工控机的显示屏嵌在设备机柜的前面，卫星导航基准设备和惯性导航测量单元以及工业级无线路由器设置在中间一层，车载电瓶和车用电瓶固定在搁架下方的车体内部底部，车载电瓶和车用电瓶之间有双电瓶隔离器；
设备机柜的右侧部分设置为内壁具有电磁信号吸收能力的屏蔽黑箱，屏蔽黑箱的内壁贴附有电磁屏蔽材料，屏蔽黑箱顶部设置有支持三***八频点的卫星信号转发天线和手机信号增强***的室内转发天线，屏蔽黑箱的底部放置待检测卫星导航定位终端；
设备机柜的顶端设置有逆变器、电池充电器、一分四卫星信号功分器、卫星信号功放器、手机信号增强器；
其中卫星信号接收天线、一分四的卫星信号功分器、卫星信号功放器、卫星信号转发天线、屏蔽黑箱构成卫星信号收转发***；车载电瓶、逆变器、电池充电器、双电瓶隔离器以及配电面板构成车载供电***；手机信号接收天线、手机信号增强器和手机信号室内转发天线、工业级无线路由器构成手机信号增强***；卫星导航基准设备和惯性导航测量单元构成组合导航基准***。
2.根据权利要求1所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，其特征在于：所述设备机柜的左侧和顶端后壁均为镂空结构。
3.根据权利要求1所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，其特征在于：所述卫星信号接收天线支持三***八频点。
4.根据权利要求4所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车，其特征在于：所述设备机柜的底部支撑脚均设置有减震结构。
5.一种GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)实时获取卫星导航***和惯性导航***的原始数据；
2)将所述原始数据进行实时解析得到GGA信息，并通过车载通讯***登录到CORS后获取相应的差分改正信息；
3)利用上述差分改正信息和原始数据在卫星导航***的设备内部进行实时GNSS/INS紧组合RTK解算，实现实时动态的高精度检定基准；
4)基于上述检定基准和车载卫星信号接收转发***的信号同源同步转发，可对屏蔽黑箱内的待检设备进行实时检测。
6.根据权利要求5所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的检测方法，其特征在于：步骤2)中，所述差分改正信息通过NRTIP协议获得，根据NTRIP CASTSER地址、端口、挂载点、用户名和密码从CORS中心服务器实时获取。
7.根据权利要求5所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的检测方法，其特征在于：步骤3)中，所述的GNSS/INS组合的方法采用紧组合方式。
8.根据权利要求5所述的GNSS和INS融合的高精度GNSS终端动态定位检测车的检测方法，其特征在于：步骤4)中，所述的实时动态检测方法采用同源同步观测并建立高精度的检定基准的方式，实时比较待检设备和基准设备的定位偏差。
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