CN102590842B

CN102590842B - 一种gnss/imu一体化天线

Info

Publication number: CN102590842B
Application number: CN201210040473.5A
Authority: CN
Inventors: 牛小骥; 班亚龙; 张提升; 章红平; 施闯
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: CN102590842A

Abstract

本发明涉及一种GNSS/IMU一体化天线，将一个或以上GNSS天线与一个或以上惯性测量单元一体化安装，将惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上，或者直接将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合。本发明根据惯性测量单元与GNSS天线的几何安装位置，将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合或等效转换至GNSS天线整体的相位中心，消除惯性测量单元与GNSS天线之间的杆臂效应，简化组合导航算法中杆臂补偿环节，减小相应误差，以简化系统设计和方便用户安装使用。

Description

一种GNSS/IMU一体化天线

技术领域

本发明涉及全球卫星定位系统（GNSS）与惯性导航系统（INS）的组合导航系统技术领域，特别涉及一种GNSS/IMU一体化天线。

背景技术

目前广泛使用的GPS、GLONASS，以及正在部署中的Galileo系统、我国的Compass(北斗2)系统都属于全球导航卫星系统(GNSS)这一范畴。它们的导航定位原理都是在精确已知导航信号发射源(即卫星)在某一时刻的位置和速度的基础上，通过测定接收设备与卫星之间的距离或多普勒等参数来获取接收设备的位置和速度等导航参数。以GPS为例，接收机获得卫星广播的信号并利用本地复现的伪随机码取得距离观测值，并解调信号当中调制的导航电文。导航电文中提供的参数可以用来计算的卫星位置及时钟误差等信息，在得到四颗以上可见卫星位置、速度等信息后，可以计算得到接收机的位置、速度和时间。基于以上工作原理，在具有足够卫星覆盖的条件下，以GPS为代表的GNSS系统可以提供全天候、全球范围内较高精度的导航定位解。

然而在某些由于遮挡或干扰导致不能正常接收到导航卫星信号的情况下，GNSS接收机无法工作；或者当接收机随载体进行大动态运动时，信号变化速度超过接收机跟踪门限时，GNSS接收机也无法工作；出于成本等因素的考虑，通常使用的接收机给出导航解的速率较低，在某些需要连续定位的应用场景性能受限。

惯性导航系统(INS)的工作原理是基于牛顿提出的惯性定律，载体的运动过程可以分解为平移和旋转，INS使用的惯性敏感元件包括加速度计和陀螺仪，二者可以分别测量载体的平移和旋转动态，在已知的初始状态基础上进行积分来确定载体当前时刻的位置、速度和姿态等导航参数。在工作过程中它完全依靠自身设备，无需依赖任何外界信息，因此可以独立完成导航任务而不受外界干扰。在航天、航空、航海等诸多军事和民用领域，惯导系统已经得到了广泛的应用。

GNSS具有较稳定的长期精度，INS（Inertial Navigation System）具有较好短期精度，将他们组合使用可望获得各自的优势互补。GNSS/INS组合导航系统当中，可以利用GNSS系统定位误差不随时间累计的特点来修正INS系统，抑制其导航精度随时间恶化；组合导航系统具有更好地健壮性，当有外界干扰、遮挡等使得卫星信号恶化甚至不能被跟踪时，INS可以依靠其短时精度来修正GNSS系统的误差设置弥补无信号时段的导航定位解的空白，当信号条件改善时，INS可以向接收机提供位置、速度等信息帮助接收机迅速重捕信号。

将惯性导航系统INS与GNSS组合，可以充分发挥各自的优势，达到取长补短的效果。并且微机械（MEMS）惯性测量单元（IMU）的快速发展，因其体积小，重量轻，可靠性高等突出优点，不仅降低了成本，而且提高了导航精度，扩大了应用范围。

GNSS接收机天线相位中心，是指天线的接受GNSS卫星发送的信号时的电气中心，其理论设计应与天线的几何中心一致。但由于多种原因，如天线制造水平，GNSS信号的入射方向、高度角等，天线相位中心与几何中心存在偏差。IMU的测量中心主要指IMU中的加速度计的测量中心，一般可视其几何中心为测量中心。

由IMU测量中心指向GNSS天线相位中心的向量被称为杆臂向量（Lever Arm vector）。由于受到GNSS测量安装的要求（信号无遮挡）的限制，一般情况下，GNSS/INS组合导航系统进行测量时，GNSS天线与IMU并不安装在同一位置，对GNSS天线相位中心与IMU测量中心的直接精确测量通常比较困难。由于杆臂的存在，GNSS与IMU所测的位置、速度并不一样，这种由杆臂所带来的差异被称为杆臂效应。

杆臂误差是GNSS/INS组合导航系统的主要误差源之一。在较大型车辆情况下，进行载波相位GNSS定位，杆臂误差甚至可达厘米级。并且，杆臂误差会对位置、姿态以及惯性传感器的偏置的估计产生影响。特别是当杆臂较长时，航向角误差可能会引起较大的位置误差。[Sinpyo Hong,2005]

在专利号为CN 101765787 A的发明中，仅仅提出将GNSS天线与惯性传感器安装在一起作为耦合天线，并没有强调如何消除天线相位中心与惯性测量单元的测量中心的杆臂效应。在其他现有组合导航系统中，GNSS天线与惯性测量单元都是物理分离的，两者安装位置的不确定性，不仅在不适用于高动态导航的情形，并且给杆臂的精确测量带来困难。

发明内容

本发明提出了一种GNSS/IMU一体化天线，其目的在于避免GNSS/INS组合导航系统中的信号接收天线与惯性测量单元（IMU）之间的杆臂效应。

本发明的技术方案为一种GNSS/IMU一体化天线，将一个或以上GNSS天线与一个或以上惯性测量单元一体化安装，

当设有一个以上GNSS天线时，GNSS天线整体的相位中心是每个GNSS天线的相位中心合成的等效中心，当设有一个以上惯性测量单元时，惯性测量单元整体的测量中心是每个惯性测量单元的测量中心合成的等效中心；

当设有一个GNSS天线时，GNSS天线整体的相位中心就是这个GNSS天线的相位中心，当设有一个惯性测量单元时，惯性测量单元整体的测量中心就是这个惯性测量单元的测量中心；

将惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上，或者直接将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合。

而且，所述将GNSS天线与惯性测量单元一体化安装，是将GNSS天线与惯性测量单元安装于一个壳体中或同一个支架上，整体作为一个测量部件。

而且，所述GNSS天线为可接收全球系统或区域系统或广域增强系统的定位天线。

而且，所述惯性测量单元，是三轴陀螺和三轴加速度计构成的惯性测量单元，或是带有冗余配置的惯性测量单元，或是不完整轴线配置的惯性测量单元，或是单轴惯性传感器。

而且，GNSS天线所得信号通过馈线传输，惯性测量单元所得IMU信号的传输方式采用以下三种方式之一，

（1）在一天化天线的壳体或支架上设置接口，IMU信号与电源通过接口连接到外部设备；

（2）在馈线中增加线缆，将IMU信号与电源通过馈线中增加的线缆传输；

（3）将IMU惯性测量信号调制后，与GNSS天线所得信号经同一馈线传输。

而且，所述惯性测量单元的测量中心，是指加速度计的测量中心；设置的惯性测量单元数量多于一个时，只设置一个完整配置的惯性测量单元，其他的惯性测量单元只配置加速度计。

而且，当惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上时，将测量中心和相位中心的距离作为一体化天线的参数提供；进行导航工作时，由惯性导航算法基于参数将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线整体的相位中心，消除杆臂效应。

本发明针对上述问题, 设计一体化天线，在本质上将卫星定位系统（GNSS）与惯性导航系统（INS）的信号采集部分在空间上实现重合，从而消除IMU与天线之间的杆臂效应。在进行导航工作时，该一体化天线可以同时为组合导航系统提供GNSS卫星信号与惯性测量数据。这种设计不仅实现了GNSS天线与惯性测量单元的高度集成，将卫星定位与惯性导航的信号在空间上实现重合，消除了杆臂效应，有助于提高组合导航精度。本发明可广泛应用于GNSS/INS组合导航系统，以及其它无线电定位于惯性导航集成的系统。这种零杆臂一体化天线尤其适用于高动态、高精度组合导航系统，以及采用低成本小体积惯性期间的组合导航系统中。

附图说明

图1是现有技术中GNSS天线与惯性测量单元IMU之间杆臂效应示意图；

图2是本发明实施例一的几何结构示意图；

图3是本发明实施例二的几何结构示意图；

图4是本发明实施例三的几何结构示意图；

图5是本发明实施例四的几何结构示意图；

图6是本发明实施例一的天化天线信号传输线示意图。

具体实施方式

本发明提供一种全球卫星定位系统（GNSS）的天线与惯性导航系统（INS）的惯性测量单元（IMU, Inertial Measurement Unit）的一体化天线设计。

如图1所示，在通常情况下，GNSS/INS组合导航系统进行测量时，GNSS天线与IMU并不安装在同一位置，由IMU测量中心指向GNSS天线相位中心的向量被称为杆臂向量（Lever-arm vector）。

而本发明提出将一个或以上GNSS天线与一个或以上惯性测量单元一体化安装。当设有一个以上GNSS天线时，GNSS天线整体的相位中心是每个GNSS天线的相位中心合成的等效中心，当设有一个以上惯性测量单元时，惯性测量单元整体的测量中心是每个惯性测量单元的测量中心合成的等效中心。当设有一个GNSS天线时，GNSS天线整体的相位中心就是这个GNSS天线的相位中心，当设有一个惯性测量单元时，惯性测量单元整体的测量中心就是这个惯性测量单元的测量中心。安装时将惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上，或者直接将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合。直接将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合，或者设置在同一垂直线或水平线上后将惯性测量单元的测量中心等效转换到GNSS天线的相位中心，都可以消除杆臂的影响，为GNSS/INS组合导航系统提供同一空间点上的卫星信号与惯性测量数据（加速度/角速率）。根据现有IMU设计技术，惯性测量单元的测量中心，一般是加速度计的几何中心。

以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。各实施例中只设置了一个GNSS天线。设置多个GNSS天线时，只需根据多个GNSS天线的几何空间位置，将每个GNSS天线的相位中心合成等效中心，作为GNSS天线整体的相位中心。其他处理与只设置一个GNSS天线的情况类似，本发明不予赘述。

如图2所示，实施例一是本发明最简明的一种实施方式，设置一个惯性测量单元。将惯性测量单元的测量中心（指加速度计的测量中心）与GNSS天线的相位中心上下对齐，就近安装，设置在同一垂直线上，这样消除了水平位置上的杆臂误差。然后对竖直方向上的杆臂h进行精密测量，该测量值作为一体化天线的参数提供给用户，方便用户根据此固定的参数值，在惯性导航算法中消除其杆臂效应，惯性测量单元的测量中心等效转换到GNSS天线的相位中心。在非精密导航定位应用中，由于惯性测量单元与天线是就近安装，垂直方向上的杆臂可以忽略，此时即可视为惯性测量单元（主要指加速度计）的测量中心与GNSS天线相位中心重合。

如图3所示，实施例二是一种垂直向的双IMU结构，在不影响GNSS天线接收信号的条件下，基于实施例一的结构，在同一垂直线上增加一个惯性测量单元。这样两个惯性测量单元的测量中心合成的等效中心与GNSS天线的相位中心处于同一垂直线上。两个加速度计模块同位于天线下侧，将惯性测量单元的测量中心（指两个加速度计的测量中心）与天线相位中心上下对齐，就近安装，并将高程方向的杆臂（h ₁,h ₂）精确测量出来。

设两个加速度计测量的比力为f ₁、f ₂，c₁、c₂为系数，f为等效的加速度计测量，加速度计比力测量的有如下投影关系：

Figure 2012100404735100002DEST_PATH_IMAGE001

进行精密机械位置安装后，h ₁与h ₂作为一体化天线的参数提供给用户，用户据天线结构和上述算法即可得到GNSS天线相位中心与惯性测量中心对齐后的等效比力测量值f，实现将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线的相位中心，在惯性导航算法中消除杆臂效应。

如图4所示，实施例三是一种水平向的双IMU结构，在不影响GNSS天线接收信号的条件下，在水平方向上放置2个惯性测量单元，将2个加速度计模块分布于天线左右两侧。调节GNSS天线与2个IMU的垂直方向的位置，使天线的相位中心与2个IMU的测量中心位于同于水平线上，并就近安装。这样，两个惯性测量单元的测量中心合成的等效中心与GNSS天线的相位中心处于同一水平线上，消除了垂直方向上的杆臂。测量2个加速度计的测量中心至GNSS天线相位中心的水平距离l ₁与l ₂。则可以通过以下方式将2个加速度计的等效测量中心转换至GNSS天线的测量中心：

其中f为等效比力测量值，f ₁、f ₂分别为两个加速度计的实际测量，k ₁、k ₂分别为加速度计1和加速度计2的比力测量等效系数。

l ₁与l ₂作为一体化天线的参数提供给用户，用户据天线结构和上述算法即可得到GNSS天线相位中心与惯性测量中心对齐后的等效比力测量值f，实现将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线的相位中心，在惯性导航算法中消除杆臂效应。

如图5所示，实施例四是水平向的双IMU结构的一种特殊情形，对2个IMU安装精密设置对称位置，即

Figure 2012100404735100002DEST_PATH_IMAGE003

则设两个加速度计测量的比力为f ₁，f ₂，加速度计比力测量的有如下投影关系：

在进行精密机械位置安装后，l ₁与l ₂作为一体化天线的参数提供给用户（对吗），用户据天线结构和上述算法即可得到GNSS天线相位中心与惯性测量中心对齐后的等效比力测量值f，实现将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线的相位中心，在惯性导航算法中消除杆臂效应。

由于多种原因，使得实际中GNSS天线的相位中心并不能固定在一个点上，而对相位中心稳定性的测定与理论推导得知，相位中心在一定范围（毫米级）内变化。并且由于GNSS天线与IMU组合数量的灵活性，使得两者的几何安装位置设计并不局限于上述方法。因此，采用惯性测量传感器的比力测量投影原理，只要将加速度计的比力测量中心投影至天线相位中心所在的范围内，即可视为等同测量中心与天线相位中心重合。

在现有技术中，GNSS天线一般都设有传输用的馈线，在与IMU一体化安装时，可以是将GNSS天线与惯性测量单元安装于一个壳体中或同一个支架上，整体作为一个测量部件。惯性测量单元所得IMU信号的传输方式采用以下三种方式之一：

如图6所示，实施例一采用第（1）种方式：GNSS天线与惯性测量单元安装于一个壳体上。GNSS天线信号通过馈线传输，馈线输出的接口可称为馈线接口。而IMU信号与电源通过一天化天线壳体新增接口与外部设备连接，该接口可称为IMU信号输出接口。

具体实施时，GNSS天线包含但不仅限于可接收全球系统(美国GPS/俄罗斯GLONASS/欧盟Galileo/中国Compass)，区域系统（日本QZSS/印度IRNSS）和广域增强系统（WAAS/EGNOS/SDCM/MSAS/GA GAN/NiSatCom-1）等导航定位系统信号的定位天线。同时还包括其它任何定位手段的天线，包含但不限于电磁波、声波定位等；惯性测量单元包括不同精度的惯性传感器（即陀螺和加速度计）组成的IMU；除了常见的三轴陀螺和三轴加速度计构成的IMU外，还包括带有冗余配置的IMU（惯性传感器轴数大于3）和不完整轴线配置（惯性传感器轴数小于3）的IMU，甚至是单轴惯性传感器。设置的惯性测量单元数量多于一个时，可以只设置一个完整配置的惯性测量单元，其他的惯性测量单元只配置加速度计，以节约成本。

如前面提供的详细说明中，GNSS天线与IMU的几何结构可以通过机械工程的精密设计实现。结合一体化天线提供的杆臂参数信息（可由厂家提供），用户使用一体化天线进行组合导航时，可以方便地在惯性导航算法程序中，通过软件实现自动将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线整体的相位中心。惯性导航算法是成熟的现有技术，本发明不予赘述。采用本发明提供的一体化天线，可在组合导航系统集成的组合导航算法中简化杆臂补偿环节，减少其产生的误差，以简化系统设计和方便用户安装使用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种GNSS/IMU一体化天线，其特征在于：将一个或以上GNSS天线与一个或以上惯性测量单元一体化安装，所述将GNSS天线与惯性测量单元一体化安装，是将GNSS天线与惯性测量单元安装于一个壳体中或同一个支架上，整体作为一个测量部件；

将惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上，或者直接将惯性测量单元整体的测量中心与GNSS天线整体的相位中心重合；当惯性测量单元整体的测量中心和GNSS天线整体的相位中心设置在同一垂直线或水平线上时，将测量中心和相位中心的距离作为一体化天线的参数提供；进行导航工作时，由惯性导航算法基于参数将惯性测量单元整体的测量中心等效转换到GNSS天线整体的相位中心，消除杆臂效应。

2.根据权利要求1所述的GNSS/IMU一体化天线，其特征在于：所述GNSS天线为可接收全球系统或区域系统或广域增强系统的定位天线。

3.根据权利要求1所述的GNSS/IMU一体化天线，其特征在于：所述惯性测量单元，是三轴陀螺和三轴加速度计构成的惯性测量单元，或是带有冗余配置的惯性测量单元，或是不完整轴线配置的惯性测量单元，或是单轴惯性传感器。

4.根据权利要求1或2或3所述的GNSS/IMU一体化天线，其特征在于：GNSS天线所得信号通过馈线传输，惯性测量单元所得IMU信号的传输方式采用以下三种方式之一，

5.根据权利要求1或2或3所述的GNSS/IMU一体化天线，其特征在于：所述惯性测量单元的测量中心，是指加速度计的测量中心；设置的惯性测量单元数量多于一个时，只设置一个完整配置的惯性测量单元，其他的惯性测量单元只配置加速度计。