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组合导航中杆臂的影响和测量
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2023.11.11 四川

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一、影响

在组合导航领域,杆臂是一个很重要的参数。它的含义是指,当卫星天线与 POS 同载 体刚性运动(即运动过程中两者的相对位置关系始终不变)时,卫星天线相位中心到 POS 中心的向量,可描述为前者在 POS 坐标系下的坐标(X,Y,Z)。该坐标系为右手坐标系, 通常有 “前-右-下” 和 “右-前-上”两种。如 GINS 软件中杆臂在 “前-右-下” 坐标系下的 空间示意图:

        由于卫星天线与 POS 中心不在同一点,为了将位置结果统一,必须将两者的原点归算 至同一点。杆臂的作用正在于此,它起着桥梁的作用。以常见的车载移动测绘为例,最终 的结果通常都要归算到 POS 中心,所以在实际作业中尽可能直接和准确地测量 POS 到 GNSS 天线的杆臂,可以用卷尺或全站仪。另外,在系统结构设计时,应使杆臂尽量短,以减小 杆臂测量和杆臂补偿误差。在移动测量系统时,杆臂的大小一般不超过分米量级,其测量 精度一般要达到 1 厘米。

      松组合是组合导航解算的一种模式,它的思路是先算卫星定位(如 PPK)结果(卫星 天线相位中心),再将之与 POS 数据进行组合解算,进而可以获得位置、速度、姿态结果, 此时的位置结果已经通过设置杆臂值补偿至 POS 测量中心。杆臂对 POS 结果的影响并不是 1:1 的定位误差影响!错误的杆臂会造成 GNSS 对 INS 修正时的额外修正误差,尤其是载体 转向时,会对 INS 造成误导,严重影响 INS 的位置、速度、姿态测量精度,以及 GNSS 信号 失锁时(例如钻隧道时)的位置推算精度。

       在实际应用中,有些工程师为了特殊的分析需要,比如要求最后结果归算到卫星天线 相位中心,他可能会想当然的认为,既然已经获得了卫星天线相位中心的位置结果,就不 需要输入杆臂,因为这种传递看起来是不必要的。这个想法也曾误导过笔者,当时的测试 有 5.5min 的人为 GPS 信号中断,可以用作仿真 Outage,测试的设备包括迈普时空公司中 精度的 POS510、中低精度的 POS310。按照预估判断,5.5min 的 GPS 中断会造成 5m 左右的 漂移(反向平滑),然而使用迈普时空 GINS 软件解算时,其漂移超过了 40m。笔者仔细查 看了数据、解算过程,发现与平时正常操作相比,唯一的不同就是杆臂没有输入。输入之 后新的结果果然达到了 4~5m 的正常水平,这是降了一个数量级的巨大变化。杆臂的重要作 用在两次结果对比中得到了有力的验证。

       值得一提的是,当时量测条件有限,获得的杆臂也只是粗略值。由此可见,杆臂对组 合导航解算的影响很大,而且即使是粗略的杆臂值也比不输入对结果的帮助大很多。 另外,除了这种“IMU — GNSS 天线”的杆臂外,还有其它的杆臂概念,如“IMU — 相机”。在使用 POS 系统和处理 POS 数据时要注意严格区分,避免混淆。

二、臂杆测量方法

由于惯导和 GNSS 天线两个硬件无法安装在同一个点上, IMU测量中心与 GNSS 天线相位中心必定不重合, 因此二者之间存在一个杆臂值。 杆臂值在组合导航数据处理过程中非常重要,杆臂值不正确会严重影响数据处理结果的精度指标。POS 设备的杆臂信息测量如图所示, GNSS 天线杆臂是指由 IMU 测量中心指向 GNSS 天线相位中心的向量, 杆臂值以该向量投影在 IMU 坐标系下的三个分量( x,y,z)来表示,如图所示:

1. 杆臂测量使用 FRD(前-右-下坐标系),以 IMU 为中心测量坐标系下的坐标值, X 轴与车辆前进方向一致, Z 轴沿当地重力方向, XYZ 符合右手系。 X 方向,测量 IMU 测量中心到天线相位中心在 X 轴方向上的投影;

2. Y 方向,测量 IMU 测量中心到天线相位中心在 Y 轴方向上的投影,如下图 10 俯视图所示:

3. Z 轴方向,测量天线杆从安装板到天线底部在垂向上的高度 a,加上天线底部到天线相位中心的高度 b( 即 L1 的相位中心),同时减去安装板到 IMU 测量中心的高度 c,即 Z=a b-c,如下图

                                                               左视图

例:当卫星天线相对于IMU处在前侧、右侧、上侧时,天线杆臂测得如图所示

注:对于里程辅助杆臂、目标杆臂的杆臂测量遵循同样方法。

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