组合导航初始对准

概述

在GNSS/INS组合导航系统中，初始对准属于比较关键的一步，惯性导航系统只有给定初始值条件下才可以完成递推过程，因此第一个历元的初始状态的获得尤为关键。同时，由于GNSS可以方便的给出位置和速度（内插速度或者多普勒测速），因此初始对准的关键任务就落到了姿态的确定。因此，下面主要讨论初始姿态的确定。

静态对准

静态条件下，加计可以测量出重力值，根据重力值可以调平获得roll角和pitch角，由于该部分较为简单，不做赘述，直接给出示意图和公式：

注：图片来源于武汉大学牛小骥老师课程PPT

roll=sign(fz)sin−1(fy/g)pitch=−sign(fz)sin−1(fx/g)roll =sign(f_z)sin^{-1}(f_y/g) \\ pitch = -sign(f_z)sin^{-1}(f_x/g)\\ roll=sign(fz​)sin−1(fy​/g)pitch=−sign(fz​)sin−1(fx​/g)

相比于其他两个角，yaw角的获取相对较为麻烦。针对高等级惯性器件，陀螺可以敏感到地球自转，通过陀螺的测量地球自转在imu系下的投影来确定航向角：

注：图片来源于武汉大学牛小骥老师课程PPT

yaw=atan−1(−wx/wy)yaw = atan^{-1}(-w_x/w_y) yaw=atan−1(−wx​/wy​)

如果希望实现静态精对准可以采用滤波器方式对上述进行滤波处理，可以获得更为准确的值。

然而实际使用条件下，高等级惯导设备成本太高（几万到几十万吧），低成本器件由于测量噪声会淹没地球自转测量值，无法确定yaw角。只能采用动对准方式，该方式则要求载体运动速度超过一定速度，例如5m/s。

动对准

动对准原理相对容易，对车辆载体比较有效，由于GNSS可以给出载体相对于当地水平坐标系（n系）的速度，通过速度在n系下投影，确定yaw和pitch角，示意图与公式如下：

pitch=tan⁡−1(−vDvN2+vE2)yaw=tan⁡−1(vEvN)pitch = { \tan^{-1}{\left( -v _D \over \sqrt{v_N^2 + v_E^2}\right)}} \\ yaw = { \tan^{-1}{\left(v_E \over v_N \right)}} pitch=tan−1(vN2​+vE2​​−vD​​)yaw=tan−1(vN​vE​​)

由于针对车辆载体，可以对roll直接赋值为0，同时给一个较大的初始方差，例如5度[2]^{[2]}[2]

最后

希望和组合导航/VIO方面的小伙伴一起交流

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参考文献

[1]. 武汉大学牛小骥老师课程PPT

[2]. Shin and Eun-Hwan, Estimation techniques for low-cost inertial navigation. .