一种双天线辅助的两段连续式对准以及误差分析

杨菊花 张琳婧 陈光武 程鉴皓 李 鹏

①(兰州交通大学自动控制研究所 兰州 730070)

②(甘肃省高原交通信息工程及控制重点实验室 兰州 730070)

③(兰州交通大学交通运输学院 兰州 730070)

1 引言

随着微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)的发展，基于MEMS的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)因为具有低成本、自主性强的优势而在智能交通领域中被广泛应用。由于MEMS-IMU逐次启动的零偏范围变化较大[1]，在使用前对系统进行对准是必要的环节。静态对准对环境要求比较高，行进间对准可有效提高载体的机动能力，但需要外部设备提供辅助信息。外部辅助有诸如磁强计、单天线、多天线等设备，或者机动辅助等运行方式，都有其适用环境与限制。全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)与IMU的组合算法已经相对成熟[2–5]，但存在两点不足，其一低精度SINS误差累积较大，其二运载体姿态的观测能力不强，特别是航向角的可观性较弱。基于此两点，本文对方位误差进行较全面的分析，结合卡尔曼滤波，设计了一种两段连续式对准方法，使用双天线设备，辅助低精度IMU完成导航前一刻的自主对准，抑制了航向的发散，增加了系统的可靠性。

针对车载，由于其横滚旋转幅度较小，所以先不考虑挠曲变形。在GNSS测向系统正常工作的前提下，单幅天线无法测得运载体静态姿态，双幅天线无论运载体静态或行进状态都可以同时测得运载体航向角与俯仰角，3幅天线则可同时测得运载体3个姿态角。理论上，天线数量越多，布设越均匀，解算精度则越高，但基于成本和精度需要的实际考量，本文的GNSS基线测向系统为双天线布局。……