[发明专利]一种倾斜RTK航向初始化方法

说明书

本发明提出了一种倾斜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。

技术领域

本发明属于MEMS INS/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。

背景技术

惯性导航系统(inertial navigation system,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(global navigationsatellite system,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-mechanical system，MEMS)惯导器件，即可组成MEMS INS/GNSS组合导航系统；利用MEMS INS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GNSS RTK(real-time kinematic)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MEMS INS。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。