卫星信号丢失情况下GNSS/INS组合导航的通用解决方案

要点

• 产品：GNSS/INS 集成导航解决方案

  主要特点：

  • 组件：集成系统包括 GNSS 接收器、惯性测量单元 (IMU) 和可选传感器，如激光雷达或里程计。
  • 功能：在 GNSS 信号丢失期间，利用附加传感器或运动状态约束（如 ZUPT）保持精度和稳定性。
  • 应用领域：非常适合城市导航、采矿、石油测井以及其他可能存在信号障碍的环境。
  • 惯性导航：利用陀螺仪和加速度计测量位置、速度和加速度。

  结论：集成系统的设计正在不断发展，其解决方案在增强应对挑战性环境的稳健性的同时，兼顾了成本和复杂性。

在GNSS/INS组合导航系统中，GNSS测量数据在校正INS方面起着至关重要的作用。因此，组合系统的正常运行取决于卫星信号的连续性和稳定性。然而，当系统在立交桥、树冠或城市建筑物内运行时，卫星信号很容易受到遮挡或干扰，从而可能导致GNSS接收机失去锁定。本文探讨了在卫星信号丢失的情况下，如何维持GNSS/INS组合导航系统的精度和稳定性。

当卫星信号长时间不可用时，GNSS 校正的缺失会导致 INS 误差迅速累积，尤其是在低精度惯性测量单元的系统中。这个问题会降低集成系统的精度、稳定性和连续性。因此，必须解决这一问题，以提高集成系统在复杂环境下的鲁棒性。

1.解决GNSS/INS信号丢失问题的两种主要方案

目前，针对卫星信号丢失的情况，主要有两种解决方案。

方案一：集成更多传感器

一方面，可以将额外的传感器集成到现有的GNSS/INS系统中，例如里程计、激光雷达、天文传感器和视觉传感器。这样，当卫星信号丢失导致GNSS不可用时，新添加的传感器可以提供测量信息，并与INS形成一个新的集成系统，从而抑制INS误差的累积。这种方法的缺点包括：由于增加了传感器，系统成本会增加；如果新传感器需要复杂的滤波模型，则设计难度也会增加。

图 1 GNSS IMU ODO LiDAR SLAM 集成导航系统的系统概览。

方案二：ZUPT科技

另一方面，可以基于车辆的运动特性建立具有运动状态约束的定位模型。该方法无需在现有集成系统中添加新的传感器，从而避免了额外的成本。当GNSS信号不可用时，运动状态约束可提供新的测量信息，以抑制INS的偏差。例如，当车辆静止时，可以应用零速更新（ZUPT）技术来抑制INS误差的累积。

ZUPT 是一种低成本且常用的抑制惯性导航系统 (INS) 发散的方法。理论上，当车辆静止时，其速度应为零。然而，由于 INS 误差会随时间累积，输出速度并不为零，因此 INS 输出速度可以作为速度误差的度量。由此，基于车辆速度为零的约束条件，可以建立相应的测量方程，为集成系统提供测量信息，并抑制 INS 误差的累积。

图 2 基于 ZUPT 的 GNSSIMU 与 CERAV 紧密耦合算法的流程图。

然而，零速度更新技术（ZUPT）的应用要求车辆保持静止，因此它是一种静态零速度更新技术，无法在车辆正常行驶过程中提供测量信息。在实际应用中，这意味着车辆需要频繁地从行驶状态停止，从而降低了其机动性。此外，ZUPT 还要求精确检测车辆的静止时刻。如果检测失败，则可能提供错误的测量信息，这不仅可能导致该方法失效，甚至还会导致集成系统的精度下降或出现偏差。

结论

卫星信号丢失会导致惯性导航系统（INS）误差快速累积，尤其是在城市等复杂环境中。目前提出了两种主要解决方案：一是增加额外的传感器，例如激光雷达（LiDAR）或视觉传感器，以提供替代测量数据；二是利用运动状态约束（例如零速更新（ZUPT）技术）来校正INS误差。每种方法各有优缺点：传感器集成会增加成本和复杂性，而ZUPT则要求车辆保持静止状态并被精确检测才能有效。

Micro-Magic 公司处于惯性导航技术的前沿，近期推出了三款不同精度级别的 GNSS 辅助 MEMS 惯性导航系统 (INS) 产品（工业级、战术级和导航级）。值得注意的是，工业级 MEMS GNSS/INS I3500 具有 2.5°/小时的偏差不稳定性以及 0.028°/√小时的角度随机游走，并配备了量程宽广（±6g，零偏差不稳定性）的高精度 MEMS 加速度计。 <30微克）。