高 琳， 班亞龍， 牛小驥

(武漢大學 衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079)

基于信號嫁接技術的IMU導航性能評估方法*

高 琳， 班亞龍， 牛小驥

(武漢大學 衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079)

為了探究新型慣性測量單元(IMU)的導航定位精度以便選用，需要對其進行方便有效和低成本的測試評估。對一種新穎的基于信號嫁接技術的IMU導航性能評估方法進行了驗證和分析。以三種中低精度IMU為樣本，將該方法的評估結果與該IMU的現(xiàn)場測試結果對比，從而對該方法的評估效果進行驗證。結果表明：相對于IMU的仿真評估，使用信號嫁接技術合成出的IMU數(shù)據(jù)在導航性能上與現(xiàn)場測試結果有更高的一致性，更為有效和可信。該方法相比于權威的現(xiàn)場測試評估具有成本低、效率高的獨特優(yōu)勢，在中低精度慣性器件性能評估上具有很高的應用價值。

信號嫁接； 慣性測量單元性能評估； 混合仿真

0 引 言

全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)和慣性導航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)以其強互補性而成為常用的組合導航系統(tǒng)之一，并且在過往的幾十年內一直被廣泛研究與利用[1]。因此，組合導航技術，尤其是中低精度的慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)傳感器技術正在快速穩(wěn)定地發(fā)展，而對于小體積、低功率、低成本的需求也引領了組合導航技術的發(fā)展。

經過前人豐富的實驗研究，目前常采用的IMU性能評估方法主要包括實驗室測試、現(xiàn)場實驗測試和INS數(shù)據(jù)仿真[2]：實驗室測試可以提取出IMU的基本參數(shù)，但無法獲得真實狀態(tài)下的導航性能[3]；現(xiàn)場實驗測試則是評估IMU導航性能方法中相對準確可靠的一種，但其需要占用大量的人力資源與成本[2]；INS數(shù)據(jù)仿真是介于兩者之間的一種導航性能評估方法，可以仿真出IMU數(shù)據(jù)，經過導航算法解算即可得到該IMU的導航性能，但評估出的導航性能與實際情況有差異，這遭到同行們的廣泛質疑[4]。

針對以上三種評估方法的不足之處，本文采用一種改進的基于信號嫁接技術的評估方法[2]，該方法不僅具有較好的可靠性，靈活性，而且易于實現(xiàn)，成本低，效率高，對中低精度慣性導航器件，尤其是MEMS性能的快速評估有極強的應用價值，對低端組合導航技術的應用推廣也有著重要意義。

1 實驗驗證原理

本文將要驗證一種基于混合仿真技術的新型評估方法，該方法可以總結為以下幾步(如圖1所示)[2]：

1)獲取IMU真值信號：可以通過進行現(xiàn)場測試，使用其中高精度IMU(如導航級IMU)數(shù)據(jù)提供參考真值，也可以通過仿真軟件仿真IMU真值(本文采用了后者)；

2)采集待評估IMU的靜態(tài)測試數(shù)據(jù)，提取靜態(tài)誤差；

3)將提取出的靜態(tài)誤差嫁接到IMU真值信號上(以下稱為“嫁接數(shù)據(jù)”)；

4)處理IMU的嫁接數(shù)據(jù)來評估該IMU的導航性能。

如引言所提到的，相對于三種常用的評估IMU導航性能的方法，信號嫁接方法有明顯的優(yōu)勢：首先，信號嫁接方法可以在導航性能水平對IMU進行評估，克服了實驗室測試局限于傳感器誤差的評估缺點。其次，相對于IMU數(shù)據(jù)仿真方法，該方法是從待評估IMU采集到的靜態(tài)數(shù)據(jù)中提取出的靜態(tài)誤差，是真實的而非仿真得到的。另外，信號嫁接方法比現(xiàn)場實驗測試方法更加的經濟高效，在這種方法里，在獲取IMU真值信號之后，只需要采集各種待評估IMU的靜態(tài)數(shù)據(jù)就可以評估其導航性能。與此同時，該方法還可以提供在極端環(huán)境下的IMU靜態(tài)數(shù)據(jù)，這一點也是現(xiàn)場測試所不能獲得的。

圖1 信號嫁接方法原理圖

2 實驗驗證方法與結果

2.1 驗證方法描述

本文通過對三種中低精度IMU的分析來驗證信號嫁接方法，包括一個戰(zhàn)術級IMU(NovAtel SPAN-FSAS)和兩個MEMS IMU(EPSON M-G350和Xsens MTi-G)，其車載實測導航性能如表1所示，其中,NovAtel SPAN-FSAS的導航性能表現(xiàn)由IMU的產品說明書提供[5]，EPSON M-G350和Xsens MTi-G的數(shù)據(jù)由多次現(xiàn)場測試統(tǒng)計得出。

表1 三種典型IMU的現(xiàn)場測試導航性能表現(xiàn)(實測結果統(tǒng)計值)

使用INS數(shù)據(jù)仿真軟件，設定運動軌跡、IMU誤差、GPS誤差等參數(shù)，獲取對應軌跡的仿真IMU數(shù)據(jù)、GPS輸出文件，以及導航真值文件。通過實驗室靜態(tài)采集，提取待評估IMU的靜態(tài)誤差信號，疊加到仿真的IMU真值信號上得到嫁接IMU數(shù)據(jù)。為了驗證該信號嫁接方法的有效性，使用仿真器基于同一套典型車載運動軌跡(L形軌跡)分別對三種待評估IMU進行數(shù)據(jù)仿真與信號嫁接，仿真路程約為40 km，時長為77 min。

分別將嫁接IMU數(shù)據(jù)和仿真IMU數(shù)據(jù)(即仿真方法)進行組合導航解算，并利用參考真值進行導航誤差分析與GPS中斷漂移分析，最后將統(tǒng)計所得到的導航誤差水平分別與該IMU的車載實測評估結果進行對比，考察其可信性，完整驗證過程如圖2所示。

圖2 信號嫁接方法效果驗證流程圖

2.2 實驗結果與分析

基于上述對IMU信號嫁接方法的驗證流程，使用Cinertial軟件[6]對嫁接IMU數(shù)據(jù)與仿真IMU數(shù)據(jù)分別進行組合導航解算，并通過仿真GNSS中斷(60 s，若干段)來考察IMU的導航性能。在GNSS信號中斷期間，位置漂移水平是判斷INS導航精度的最重要的指標，因此，本文只分析IMU在GNSS中斷情況下的導航結果，并且重點分析位置誤差。

2.2.1 戰(zhàn)術級 IMU：NovAtel SPAN-FSAS

圖3(a),(b)分別為嫁接的SPAN-FSAS數(shù)據(jù)和仿真的SPAN-FSAS數(shù)據(jù)在人工添加GNSS中斷(60 s)時的導航誤差圖，其中，三個子圖分別表示位置、速度、姿態(tài)誤差，不同的軸向由不同顏色標注。表2統(tǒng)計了兩種數(shù)據(jù)結果的位置、姿態(tài)誤差。

圖3 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下SPAN-FSAS導航誤差圖

表2 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下SPAN-FSAS導航誤差統(tǒng)計值

從圖表中可以看出:嫁接的SPAN-FSAS數(shù)據(jù)在60 s GNSS中斷下的位置漂移約為5 m，匹配度可達80 %；而仿真的SPAN-FSAS數(shù)據(jù)的位置漂移不足3 m，匹配度僅為60 %。通過與表1的對比可以看出:信號嫁接方法與實測的SPAN-FSAS得到的結果相對一致；而仿真得到的IMU數(shù)據(jù)精度明顯偏離真實測試評估結果，偏于樂觀，無法準確反映IMU的導航性能。因此,本文提到的基于信號嫁接的IMU性能評估方法對于中精度的IMU是有效的，且其可信性比INS數(shù)據(jù)仿真方法好。另外，通過對比姿態(tài)誤差也可以得到相同的結論。

2.2.2 MEMS# 1：EPSON M-G350

圖4(a),(b)與表3分別給出了在GNSS中斷60 s的情況下，嫁接EPSON M-G350數(shù)據(jù)和其仿真數(shù)據(jù)的導航誤差圖與誤差統(tǒng)計值。由此可以看出:嫁接數(shù)據(jù)的水平漂移約為20 m，匹配度在90 %以上，與表1中該IMU的現(xiàn)場測試情況匹配，而仿真數(shù)據(jù)依然無法如實反映IMU的性能。

圖4 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下EPSON M-G350導航誤差圖

表3 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下EPSON M-G350導航 誤差統(tǒng)計值

2.2.3 MEMS# 2：Xsens MTi-G

另一種用來驗證該嫁接方法的IMU為Xsens MTi-G，通過對兩種數(shù)據(jù)人工添加60 s GNSS中斷可以得到如圖5(a),(b)所示的MTi-G嫁接數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的導航誤差圖，結合表4所示的誤差統(tǒng)計值可以看出：嫁接數(shù)據(jù)得到的水平誤差漂移(約105 m，匹配度在90 %以上)和姿態(tài)誤差與表5所示本IMU的真實數(shù)據(jù)相匹配，而仿真IMU數(shù)據(jù)得到的結果與實測數(shù)據(jù)評估經過差異較為明顯，無法真實反映該IMU的性能。因此，對于MEMS來說，本文提到的基于信號嫁接的IMU評估方法依然有效，且可靠性優(yōu)于INS數(shù)據(jù)仿真方法。

圖5 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下Xsens MTi-G導航誤差圖

表4 GNSS信號中斷60 s狀態(tài)下Xsens MTi-G導航誤差統(tǒng)計值

3 結 論

本文將IMU信號嫁接方法和INS數(shù)據(jù)仿真方法應用于三種中低精度IMU樣本，對其導航性能的有效性進行驗證和對比，結果表明：信號嫁接方法是一種可以有效評估IMU導航性能的方法。利用該方法得到的被測IMU的位置誤差和姿態(tài)誤差結果均與實測導航結果相一致，符合度約為90 %；而INS數(shù)據(jù)仿真結果則普遍偏于樂觀，符合度為40 %～80 %。相對于INS數(shù)據(jù)仿真方法，信號嫁接的評估方法更加有效和可信。

相比于現(xiàn)場測試方法，該方法只需在實驗室采集待評估IMU的靜態(tài)數(shù)據(jù)即可，可以省去現(xiàn)場測試需要消耗的時間和成本，還可以提供在極端環(huán)境下(如極端溫度或溫度突變)的IMU導航性能評估。另一方面，相比于實驗室測試，該方法可以從導航性能水平而不僅僅是傳感器誤差水平對IMU進行性能評估。因此，該方法對中低精度慣性器件性能評估上具有很高的應用價值，對組合導航技術的應用發(fā)展亦有著重要意義。

[1] Groves P D.Principles of GNSS,inertial and multisensor integra-ted navigation systems[M].Boston:Artech House,2013.

[2] Niu X,Goodall C,Nassar S,et al.An efficient method for evaluating the performance of MEMS IMUs[C]∥IEEE/ION Position Location and Navigation Symposium,USA:IEEE,2006.

[3] Aggarwal P,Syed Z,Niu X,et al.A standard testing and calibration procedure for low-cost MEMS inertial sensors and units[J].Journal of Navigation,2008,61(2):323-336.

[4] Li Y,Chen Q,Niu X,et al.Simulation analysis for the influences of vehicle maneuvers to the attitude estimations of GNSS/INS navigation systems[C]∥2012 Proceedings of China Satellite Navigation Conference (CSNC)，2012:679-694.

[5] NovAtel Inc.Specifications of SPAN-FSAS.[EB/OL].[2011—06—01].http:∥www.novatel.com/assets/Documents/Papers/FSAS.pdf.

[6] Zhang Q,Niu X,Gong L,et al.Development and evaluation of GNSS/INS data processing software[C]∥2013 Proceedings of China Satellite Navigation Conference (CSNC),2013:685-696.

IMU navigation performance evaluation method based on

signal grafting technology*GAO Lin, BAN Ya-long, NIU Xiao-ji

(Global Navigation Satellite System Research Center,Wuhan University,Wuhan 430079,China)

In order to evaluate navigation performance of inertial measurement unit(IMU),convenient,efficient and low-cost evaluation methods are needed.A new method based on signal grafting is verified and analyzed,to evaluate the navigation performance of IMU.Three kinds of medium and low precision IMUs are used as samples,to check the evaluation effectiveness of the proposed method,the evaluation results using this method are compared with their actual road test results.Experimental results show that the navigation performances of the grafted IMU data matched much better with that of the real IMU data compared with the simulation IMU data.The proposed signal grafting method is not only reliable and feasible,but also low-cost and efficient,therefore,it has high application value in IMU performance evaluation of medium and low precision.

signal grafting; performance evaluation of inertial measurement unit(IMU); hybrid simulation

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0030—04

2015—01—22

國家自然科學基金資助項目(41174028)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2042014KF0258)

TB 22

A

1000—9787(2015)04—0030—04

高 琳(1990-)，女，山東濟寧人，碩士，主要研究方向為慣性導航與組合導航。