1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1课题研究目的及意义

导航系统是汽车、舰船、航天器等载体上的重要设备，其主要任务就是在预先规定好航行计划的前提下，以要求的精度，在一定时间内将载体引航到目的地。随着科学技术的发展，目前已出现了多种适用于航行体的导航系统。虽然他们各自都有优点，但也有其固有的不足之处。例如GNSS（Global Navigation Satellite System）能够为全球提供全天时、全天候的位置、速度和时间信息，精度不随时间变化。但GNSS不能提供载体的姿态信息；并且GNSS较低的数据更新率不能满足动态变化范围较大的应用；另外当信号受到干扰或遮挡时，会造成GNSS的失效。而INS（Inertial Navigation System）作为自主导航系统，在短期内有很高的定位精度，且其采样频率往往能达到200HZ，具有较好的动态响应，但由于惯性器件误差的影响，其定位精度随时间增长而迅速恶化，因此无法长时间单独工作。显然 GNSS与INS在性能上形成互补，两者组合后的优点体现在：对惯导系统可以实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中校准等，从而可以有效提高惯导系统的性能和精度；而对GNSS系统，惯导系统的辅助可以提高接收机的动态特性和抗干扰性。因此GNSS/INS可以组成一种比较理想的导航系统，其精度、完好性、可用性及连续性均优于单一系统。T.D.Tan、L.M.Ha等在2007年对在GPS信号受到阻挡期间的车载GNSS/INS组合定位系统进行了研究，其采用了8状态变量的Kalman滤波器来提高GNSS与INS的组合性能，研究表明相比于单纯使用GNSS或INS，GNSS与INS组合可以有效提高定位精度，且增加Kalman滤波器的状态空间变量数可以增加参数估计的准确性^[1]。

随着高精度定位产业日趋成熟，亚米级导航定位装置需求旺盛。而目前GNSS/INS组合导航设备价格居高不下，严重制约了亚米级导航定位装置的推广及应用。研制低成本高精度GNSS/INS组合导航定位装置成为领域研究的热点。本课题重点研究低成本GNSS/INS组合导航定位算法的嵌入式实现。

1.2国内外研究现状

按照组合结构的不同，可将GNSS/INS组合定位分为三种：松组合（lossely coupled）、紧组合（tightly coupled）和超紧组合（Ultratightly Coupled,UTC）^[2]。其中松组合结构如图1-1：

图1-1GNSS/INS松组合结构

松组合是最简单的组合方式，GNSS输出的位置/速度作为测量输入给组合Kalman滤波器，组合Kalman滤波器用它来估计INS误差，并对INS导航参数进行校正，矫正后的INS导航参数构成组合导航输出。该组合方式简单、易于实现，缺点在于至少要存在4颗卫星才能得到GNSS导航信息来对滤波器进行更新。且这种组合导致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关，不满足Kalman滤波器观测噪声为白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不稳定^[3]。

紧组合结构如图1-2：

图1-2GNSS/INS紧组合结构

紧组合是一种相对复杂的组合方式，源于GNSS测距处理器的伪距和伪距率构成Kalman滤波器的量测输入，滤波器采用这些量测信息来估计INS和GNSS系统的误差，与松组合结构相同，组合导航参数是校正后的惯性导航参数。其中伪距源于码跟踪，而伪距率源于更为精确、但鲁棒性差的载波跟踪。袁俊刚、范胜林等在2010年对GPS/INS紧组合导航系统进行了研究，仿真结果表明组合系统可以明显的减少组合导航系统的误差，提高了系统的定位精度和可靠性^[4]。Gianluca Falco、Marco Pini等在2016年，使用低价的MEMS惯性元器件与常用的GNSS接收机，对GNSS/INS组合导航分别使用松组合、紧组合在市区的定位进行了比较，结果表明使用紧组合可以有效降低定位误差^[5]。

超紧组合组合结构如图1-3：

图1-3GNSS/INS超紧组合结构

超紧组合更为复杂，除了完成紧组合的工作外，还需使用校正后的INS信息对接收机内部的载波环、码环进行辅助跟踪，由于超紧组合涉及到对接收机内部电路的更改，国内条件不成熟，目前的研究主要停留在算法仿真；国外则对超紧组合进行了一系列深入研究并搭建了实验平台。

国内外学者对上述三种组合方式做过大量的研究，其中李倩在2010年对GNSS/INS组合导航中普遍存在的GNSS与INS数据时间不同步问题进行了研究，设计出了一套基于FPGA的GNSS/INS时间同步方法^[6]。邓超慧在2011年对嵌入式GNSS/INS松组合导航进行了研究，设计出了基于ARM9的硬件平台，WinCE操作系统的嵌入式组合导航系统并进行了实时测试，定位精度为2.5m^[7]。

影响GNSS实时单点定位精度的因素很多，其中最主要的因素有卫星星历误差、大气延迟误差和卫星的钟差等。由于上述误差从总体上讲有较好的空间相关性，因而相距不太远的两个测站在同一时间分别对单点定位时，上述误差对两站的影响就大体相同^[8]。如果我们能够在距离较近的一已知点上配备一台GNSS接收机并和用户一起测量，便可求得上述误差对站坐标的影响，再将此误差发送给在附近工作的用户，用户在对上述误差进行补偿后，其定位精度就能大幅度提高，这便是差分GNSS的原理。按照观测值类型可将差分GNSS分为伪距差分、载波相位差分和介于两者之间的相位平滑伪距差分。其中伪距差分最简单，但精度最低；载波相位差分精度最高，但会受到载波周跳的影响；而载波相位平滑伪距差分的精度介于两者之间，且同样会受到载波周跳的影响。

彭元、符杰林等在2017年对GPS/BDS组合伪距差分定位进行了研究，设计了基于树莓派的嵌入式GPS/BDS组合定位系统并进行了测试，达到了0.5m的定位精度^[9]。但其将GPS与北斗进行组合，虽然定位精度有所提高，但仍具有卫星定位共同的缺点。吴富梅、唐颖哲在2010年对基于载波相位平滑伪距技术的GPS/INS组合导航进行了研究，采用松组合，进行事后解算，在不发生周跳的情况下，基于载波相位平滑伪距技术的GPS/INS组合导航的精度较伪距差分组合导航有较大提高；反之精度提高不明显^[10]。刘洋在2016年对基于载波相位时间差分测速的GPS/INS组合导航进行了研究，采用松组合，进行事后解算，定位精度达到了0.7m^[11]。

上文提到在紧组合中使用载波相位定位时，虽然精度较高，但是会受载波的周跳影响。韩厚增、王坚等人在2015年对GPS/INS紧组合的INS辅助周跳探测与修复进行了研究，提出了一种周跳检测阈值自适应确定方法，在GPS信号失锁时能较好的修复周跳^[12]。

GNSS/INS组合定位算法的研究目前主要集中在Kalman滤波上，XiaohongZhang、Feng Zhu等在2016年针对RTS平滑（Rauch–Tung–StreibelSmoother，RTSS）与前后向Kalman滤波（Forward–Backward combination，FBC）各自单独使用时都存在不足的问题，提出了一种将两者结合在一起的平滑算法，研究表明使用此方法可以显著提高GNSS/INS紧组合的绝对定位精度^[13]。针对无迹Kalman滤波（UKF）鲁棒性不强的问题，朱立新、马春来等在2014年提出了基于交互式多模型（IMM）的混合平方根无迹Kalman滤波（SRUKF）算法，仿真结果表明新算法能够以适当的时间复杂度，获得较强的鲁棒性能，适用于复杂的导航环境^[14]。标准Kalman滤波算法一般假定系统方程与观测方程均为线性，然而GNSS/INS组合定位系统通常不能满足这一假定。王坚、刘超等人在2011年针对此问题提出了一种抗差EKF算法，EKF算法可实现非线性系统的线性近似，进一步提高求解精度，而抗差EKF算法将组合导航异常值干扰分为单粗差、多粗差和缓慢增长误差三类，并将粗差归入函数模型，仿真表明抗差EKF算法可将导航解的误差精度从dm级提高为cm级甚至mm级,导航精度及可靠性得到明显提高^[15]。

研究上述文献可以发现，国内外对GNSS/INS组合导航有较多的研究，但是对嵌入式低成本高精度GNSS/INS组合导航的研究不多，或者尽管有研究但精度较低，且国内外的研究多集中在仿真或对采集的数据进行事后解算，对于实时性要求较高的场合研究较少。其中对于GNSS的数据处理，大多基于位置、速度解算或伪距解算，对基于精度更高但更复杂的载波解算的研究较少。对于GNSS/INS的组合方式，限于研究条件，国内研究多集中在松组合与紧组合，其中紧组合精度更高、适用范围更广，已成为研究热点。对于低成本IMU的选取，随着这些年MEMS传感器的兴起，使用MEMS IMU作为惯性元器件已成为十分合适的选择。但低成本IMU，例如MEMS IMU不可避免会存在各种误差，其中最主要的就是陀螺仪的误差。理想情况下，陀螺仪仅测量旋转速率，与其他无关。但实际上，由于机械设计不对称或微加工精度不够，所有陀螺仪都有一定的加速度敏感误差，其中最显著的就是对线性加速度的敏感误差（g敏感误差）。Chen Fan、Xiaoping Hu等在2014年对陀螺仪的g敏感误差的可观性进行了研究，并将此项数据作为一个状态变量加入Kalman滤波器的状态方程。研究结果表明，陀螺仪的g敏感误差是可观的，且在将其进行补偿后INS的定位精度得到了显著提高^[16]。

2. 研究的基本内容与方案

主要研究内容及目标如下：

（1）gnss/ins组合导航软件架构设计。学习数据解码、差分gnss算法、gnss/ins组合导航定位算法流程，了解组合导航算法原理，结合ublox定位模块以及inversense mems模块，设计嵌入式gnss/ins组合导航软件架构。

（2）网络差分ntrip协议顺从与实现。学习ntrip通讯协议的通讯原理，完成ntrip通讯协议的编写，实现基于ntrip通讯协议用户登录、数据请求、位置上传。

3. 研究计划与安排

第1－2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的相关知识，确定方案，完成开题报告。

第3－4周：完成英语论文翻译和熟悉原理、方法。

第5－6周：完成开发环境的搭建、arm上linux的移植和驱动程序的设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]t.d.tan，l.m.ha，n.t.long等. land-vehicle mems ins/gpspositioning during gps signal blockage periods[j]. vnu journal of science，2007，（23）：243-251.

[2]paul d.groves. gnss与惯性及多传感器组合导航系统原理[m].李涛，练军想，曹聚亮等，北京：国防工业出版社，2011：320-321.

[3]艾伦，金玲等.gps/ins组合导航技术的综述和展望[j].数字通信世界，2011，（2）：58-61.