GNSS-INS-UWB高精度定位模組關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

GNSS/INS/UWB高精度定位模組關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用背景及需求模組研制及應(yīng)用一模組關(guān)鍵技術(shù)二三國家戰(zhàn)略需求《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》(2017-2030)重點突破…實時精準定位、面向復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性智能導航等共性技術(shù)?！吨悄芷噭?chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》(2020)…推進車載高精度傳感器等產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，加快北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在智能汽車相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用智能導航裝備關(guān)系到自動駕駛、智能控制及應(yīng)急救援等各類行業(yè)需求，國家已對智能導航、定位技術(shù)、裝備與產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行了戰(zhàn)略部署。室內(nèi)外無縫位置服務(wù)智能芯片/硬件自動駕駛定位模組研制是智能導航裝備的重要組成部分，已成為萬物互聯(lián)、人工智能和未來超智能應(yīng)用的核心技術(shù)之一毫米/厘米/分米級高精度米級/亞米級定位其它低精度物聯(lián)網(wǎng)智能駕駛智慧城市地形測圖塔吊防撞井筒監(jiān)測橋梁變形監(jiān)測建筑遺產(chǎn)信息留取高精度低動態(tài)定位海上鉆井平臺安全監(jiān)測武漢長江大橋海洋平臺變形監(jiān)測模組公路沿線邊坡變形監(jiān)測模組為橋梁、滑坡、構(gòu)筑物等變形體/震動體提供毫米級監(jiān)測需求與快速預(yù)警。高精度高動態(tài)導航無人駕駛導航武器制導航空導航艦船導航無人駕駛高精度定位已走向應(yīng)用自動駕駛上海臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車綜合試驗場四川金瑞麒智能科學公司 新石器載物無人車高精度實時定位模組為無人車智能決策提供了關(guān)鍵信息。高速應(yīng)用低速應(yīng)用無人駕駛模組位

置信

息將

成為

應(yīng)急

救援

的戰(zhàn)

略資

源各種精度混合定位應(yīng)用賽事安保室外開闊區(qū)域警力人員定位警情位置感知，警力資源優(yōu)化部署內(nèi)澇倒塌遮蔽/半遮蔽區(qū)域救援人員定位救援人員實時調(diào)度、救援資源合理分配火災(zāi)解救室內(nèi)外區(qū)域救援人員/特警無縫定位救援人員路徑規(guī)劃、救援人員合理調(diào)配PPP/CORS室外應(yīng)急定位基準構(gòu)建，GPS/UWB室內(nèi)外無縫定位基準構(gòu)建；GNSS/INS車載應(yīng)急定位終端；北斗短報文定位終端；GNSS/UWB融合定位終端；UWB定位終端；云端一體化綜合減災(zāi)服務(wù)系統(tǒng)，解決應(yīng)急定位、融合與減災(zāi)服務(wù)等技術(shù)難題。應(yīng)急導航與定位模組背景及需求模組研制及應(yīng)用一模組關(guān)鍵技術(shù)二三芯片等原材料制作或采集PCB設(shè)計模組調(diào)試制板設(shè)計電路設(shè)計版圖繪制原理圖PCB制板嵌入式開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)整機裝配系統(tǒng)調(diào)試集成測試設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備維護系統(tǒng)應(yīng)用擴展定位模組設(shè)計技術(shù)迭代初始化迭代初始化-34-36-38-28-30-32航向角(°)0 100 200

300

400

500

600時間（s）KF前向RTS平滑RTS輔助前后向時間同步測圖定位模組時間同步 測圖定位模組提高了GNSS/慣導等傳感器時鐘精確匹配的穩(wěn)健性，時鐘匹配精度優(yōu)于1ms。原始信息同步采集與延時補償技術(shù)建立多源傳感器時間同步誤差估計和補償模型，構(gòu)建融合時間補償參數(shù)的狀態(tài)方程。大幅降低了嵌入式平臺的資源消耗并行高效處理技術(shù)并行高效處理技術(shù)狀態(tài)簡化模型處理狀態(tài)簡化模型處理觀測值序貫更新觀測值序貫更新時間分片處理時間分片處理誤差模型降階誤差模型降階載波、偽距UD分解更新載波、偽距UD分解更新雙線程同步處理雙線程同步處理INS解算INS解算融合處理融合處理線程1線程2序貫更新與時間分片并行高效處理技術(shù)解算模塊的優(yōu)先級控制策略，創(chuàng)建了序貫更新與時間分片的并行高效處理技術(shù)?？共钭赃m應(yīng)KALMAN濾波理論與模型慣性輔助高精度定位模型MISRA C語言開放標準（車標）厘米級高精度測繪模組分米級自動駕駛定位模組毫米級變形監(jiān)測模組分米-厘米-毫米級多精度軟硬模組關(guān)鍵技術(shù)研制自適應(yīng)定位算法，編寫穩(wěn)健的代碼，突破了分米-厘米-毫米級等多精度的軟硬模組關(guān)鍵技術(shù)。替換算法，如選擇快速排序方法匯編法，對關(guān)鍵部分進行改寫采用內(nèi)存空間來換取時間；避免遞歸法多等級慣性器件適配觀測環(huán)境的自適應(yīng)多場景的典型應(yīng)用嵌入式固件參數(shù)動態(tài)更新方法，創(chuàng)建場景自適應(yīng)的固件選配技術(shù)一套核心模組，兼容多器件、多環(huán)境以及多場景應(yīng)用背景及需求模組研制及應(yīng)用一模組關(guān)鍵技術(shù)二三UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用123GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用GNSS/IMU毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用高精度變形監(jiān)測模組及其性能性能指標信號BDS

B1/B2/B3單點定位平面：士1.5m高程：士3mGPSL1/L2/L5GLONASS/L1/L2DGPS(RMS)平面：士0.4m高程：士0.8mGALILEO

E1/E5a/E5bQZSS

L1/L5RTK(RMS)平面：士8mm+1ppm高程：士15mm+1ppmSBAS

L1初始化時間<

10秒（典型值）精度(RMS)平面：士3mm+1ppm高程：士5mm+1ppm初始化可靠性>

99.9%PCB設(shè)計加密PCB變形監(jiān)測模組設(shè)備特性：采用高精度低功耗北斗板卡支持北斗/GNSS/慣導數(shù)據(jù)采集與處理8G標配內(nèi)存，U盤方式數(shù)據(jù)讀取私有協(xié)議、加密數(shù)據(jù)傳輸4G通信，數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定9-36vDC寬壓供電，環(huán)境適應(yīng)性高GPS原始時間序列風載振動頻率海上石油鉆井平臺1案例一：海洋鉆井平臺安全監(jiān)測渤海某油田鉆井平臺安全監(jiān)測應(yīng)用，能有效監(jiān)測風浪惡劣環(huán)境海上鉆井平臺的風振頻率變化。CB246A鉆井平臺監(jiān)測點風載振動監(jiān)測3.1GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用加速度計變分模態(tài)分解希爾伯特黃變換功率譜分析時間-頻率-能量譜-+VMD-HHT去噪加速度重構(gòu)頻域積分振動位移確定截止頻率GNSS重構(gòu)位移加速度計原始數(shù)據(jù)VMD-HHT輔助的頻域積分算法加速度計積分位移3.1

GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用案例一：海洋鉆井平臺安全監(jiān)測當鉆井平臺遭受船只連續(xù)撞擊時，MEMS

IMU加速度計和GPS集成能有效監(jiān)測位移及高頻振動響應(yīng)，把握結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。山西省興縣南山某高速公路施工沿線邊坡滑坡預(yù)警實時監(jiān)測。案例二：高速公路施工沿線滑坡變形監(jiān)測滑坡監(jiān)測區(qū)域位置邊坡地形環(huán)境邊坡地形陡峭，地基已松軟土層和風化巖石為主，滑坡風險系數(shù)高：事關(guān)高速公路施工安全及建成后的運行安全；邊坡靠近城區(qū)，滑坡事關(guān)人民生命安全；1應(yīng)用案例二3.1

GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用累計位移累計位移變化單監(jiān)測站點變形位移實時監(jiān)測12號監(jiān)測站24小時連續(xù)監(jiān)測東北天最大變形量分別為：E

-0.01m，N

0.02m，U0.03m。12號監(jiān)測站24小時連續(xù)監(jiān)測東北天累計變形量分別為：E

-0.01mm，N

0.08mm，U-0.32mm。12號監(jiān)測站24小時連續(xù)監(jiān)測東北天形變標準差分別為：E

1.92mm，N

2.81mm，U5.83mm。1案例二：高速公路施工沿線滑坡變形監(jiān)測3.1GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用123GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用MEMS

IMU緊組合無人駕駛定位測姿模組GNSS/INS緊融合解算云平臺GNSS/INS緊組合軟硬模組2GNSS/INS車載緊組合模塊性能信號跟蹤GPS：L1/L2BDS：B1/B2/B3GLONASS：L1/L2（可選）GALILEO:E1/E5b慣性導航位置保持：1km/2min3.75m（1σ）航向精度：

0.15°

/min水平位置精度RTK（RMS）:1cm+1ppm定向精度(RMS)：0.2°，1

米基線首次鎖定時間熱啟動<30s冷啟動<50s重捕<2s高程定位精度RTK

浮動(<10km)：1.0m+10ppmRTK

固定(<5km)：0.2m+1ppm數(shù)據(jù)更新率GNSS：5Hz、10Hz；組合導航：100Hz3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用10TDS2S4S3S1P(D|

H0)P(D|

H1)

=

'MW

=

MW

=

'MW

=

MW-3-2-1012-模擬周跳（L1:1,L2:0）失鎖10sD（周）446800

447000

447200

447400

447600

447800GPS時（s）

L(1,-1)L(-3,4)失鎖5sEASTWESTSOUTHG1090015304560G6

75G9G23C6G17C1C2C3C4C5C8G5

C9EndG12

G2StartC14Base

Sat:G10,

C6周跳探測評價指標短時失鎖周跳探測選取模糊度子集NORTH部分模糊度固定3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用GNSS/INS緊組合定位理論建立了INS輔助的GNSS周跳實時探測、整周模糊度快速固定模型，在城市復(fù)雜區(qū)域，高精度定位可用性提高20%左右；綠色-固定（1166）；橙色：浮點（165）；車載RTK緊組合車載駕駛測試場景23.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用復(fù)雜環(huán)境下模糊度固定率測試測試時間：2019.8.25 14:34:51-15:02:27，總歷元1657（包含失鎖時段）車載RTK：固定歷元1166，固定率70.37%緊組合：固定歷元1363，固定率82.26%固定歷元數(shù)提高：16.98%（緊組合固定歷元-RTK固定歷元+1）/RTK固定歷元）城市開闊環(huán)境組合導航模塊位姿偏差城市開闊環(huán)境測試在城市開闊環(huán)境下，緊組合定位模式定位精度達厘米級，姿態(tài)精度在0.05°以內(nèi)（均方根誤差）?？蓾M足高精度自動駕駛位置需求。3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用GNSS/IMU/ODO組合定位方向RMSE[m]0.018N[m]0.016U[m]0.024Heading[°]0.038Pitch[°]0.026Roll[°]0.036城市峽谷環(huán)境測試高樓林立街道，GNSS/INS/里程計固定成功率比GNSS模式高13.57%，在樹木遮擋街道環(huán)境中，成功率提高了55%左右。緊組合平面定位RMS約為0.03m，高程RMS約為0.05m。在城市峽谷環(huán)境緊組合解算情況城市峽谷環(huán)境組合導航模塊位姿偏差3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用樹木遮蔽環(huán)境測試在樹木遮蔽環(huán)境下，緊組合定位模式定位精度達0.2m以內(nèi)。3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用城市高架環(huán)境測試沿城市高架下行駛750m，緊組合定位模式定位精度達0.5m以內(nèi)。3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用城 道 合導航模式位置市隧組偏差衛(wèi)星失鎖時長[s]E[m]N[m]U[m]Heading[°]Pitch[°]Roll[°]100.0710.2010.1640.0480.0640.074300.2030.3081.3980.1340.0660.067600.2491.0332.3550.1430.0750.061200.3281.7352.3860.1440.0810.057城市隧道緊組合模式位姿測量中誤差East(m)North(m)Up(m)Heading(°)Pitch(°)Roll(°)城市隧道環(huán)境測試緊組合模組在失鎖60s內(nèi)平面RMS優(yōu)于1m，120s以內(nèi)平面RMS優(yōu)于2m。緊組合模組測試軌跡3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用靠左車道中間行駛靠右行駛靠中偏右行駛靠中間行駛靠中間行駛車輛中線組合結(jié)果位置城市地下車庫環(huán)境測試地庫跑車五圈，跑車軌跡正常，地庫失鎖時長100s，定位精度在0.5m-1.0m。3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用注：紅色虛線為地庫中軸線2無人駕駛組合定位裝備模組已開展6000余次測試，累計里程超257,500km廣州某科技園車載測試場景上海某綜合場景車載測試軌跡成都某著名公園車載測試場景2020衛(wèi)星導航定位創(chuàng)新應(yīng)用獎

銀獎隧道高樓高架樹洞城市復(fù)雜測試場景高精度定位定姿系統(tǒng)（iGPOS）高精度車載導航定位系統(tǒng)(iNAV2)3.2

GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用123GNSS/INS厘米級無人駕駛模組及應(yīng)用GNSS/INS毫米級高精度形變監(jiān)測模組及應(yīng)用BeSpoonPCB

layoutUWB

PCBAUWB定位設(shè)備UWB定位模組及性能3UWB組網(wǎng)設(shè)備RTK/UWB基站UWB組網(wǎng)設(shè)備PerformanceParameter電壓3-5V接收靈敏度-118dBm精度測距精度10CM，定位精度可達10-30cm視距距離最遠通信距離可達80m標準硬件接口UART、I2C、SPI、USB

和多個

GPIO

管腳尺寸9*12.5*0.7cmRTK/UWB基站PerformanceParameterReceiving

sensitivity?118

dBmRanging

accuracy≤10

cmRanging

distanceMax880

mSatellite

systemGPS,BDS,Glonass,

GalileoRTKpositioning

accuracyB1/B2/B3/L1/L2/L5/G1/G2Singlepointpositioning

accuracy2–5

cmSamplingrateof

GNSS≤1.5

mCommunication

mode1–10

Hz3.3

UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用序號實際坐標量測坐標測量誤差平面誤差XTYTXMYMxy11.61.61.2871.5180.3130.0820.32423.23.23.1053.0280.0950.1720.19633.63.63.5783.7710.0220.1710.17244.84.84.8095.0170.0090.2170.21756.46.46.1956.9680.2050.5680.604UWB定位性能研究基站設(shè)置：A0(0,

0,

0.85)、

A1(7.2,

0,

0.85)、A2(7.2,

7.2,

0.85)、A3(0,

7.2,

0.85)；測試點設(shè)置：T1（1.6,1.6）、T2（3.2,3.2）、T3

（3.6,3.6）、T4

（

4.8,4.8）和T5

（6.4,6.4）五個測試點；測試時間：每個測試點采集30個歷元。3定位精度可達分米級定位結(jié)果圖3.3

UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用定位基準自組修護自組網(wǎng)策略定位基準遞推更新定位基準靜態(tài)組網(wǎng)anchor

EX

,Y,Zanchor

DX

,Y,Z

3.3

UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用動態(tài)組網(wǎng)系統(tǒng)工作前，在地面布置（≥3個）已知坐標的基站點，UWB相互測距，往巷道傳遞坐標，通過解算，求得待定點的坐標位置，覆蓋整個區(qū)域。固定基站覆蓋完畢后，移動標簽可以在地下巷道環(huán)境中進行精度定位。固定基站待定基站定位標簽固定基站固定基站待定基站3.3

UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用案例一：井下綜合采煤面作業(yè)人員應(yīng)急組網(wǎng)定位應(yīng)用井下綜合采集面環(huán)境無 采工作面人開

2019

年4月18日至19日，在河北省張家口市中國中煤能源集團石家莊中煤裝備制造股份有限公司利用UWB應(yīng)急組網(wǎng)裝備和系統(tǒng)進行井下綜合采煤面作業(yè)人員應(yīng)急組網(wǎng)定位應(yīng)用示例。井下綜采面的特點井下綜合采煤面作業(yè)空間小、狹長，基站布設(shè)位置選取困難；井下環(huán)境復(fù)雜，通視性差，UWB測距信號受多路徑效應(yīng)影響嚴重；井下基站位置隨工作面變化，基站無法保證位置不變；井下綜采面工作人員流動性大，對定位精度要求高。33.3

UWB分米級定位模組及系統(tǒng)應(yīng)用動態(tài)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)點號真實坐標(m)測量坐標(m)N方向誤差(m)E方向誤差(m)D點(26.01,

1.29)(26.03,

1.31)0.0230.024E點(43.57,

0.82)(43.55,

0.77)-0.025-0.055F點(43.57,

2.05)(43.55,

1.99)-0.018-0.066G點(60.06,

0.71)(60.07.

0.91)0.0380.105H點(59.54,