一、引言

微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical System,MEMS）慣性器件具有尺寸小、重量輕、成本低、功耗低等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)低成本導(dǎo)航的主要發(fā)展方向[1,2]。但相對于傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，MEMS-IMU 的精度和穩(wěn)定性還比較低，導(dǎo)航誤差隨時(shí)間快速增長。另一種得到廣泛使用的導(dǎo)航設(shè)備是GPS，GPS的定位誤差不隨時(shí)間增長，但信號(hào)易受外界條件干擾且數(shù)據(jù)輸出率比較低。

基于MEMS 技術(shù)的IMU 和GPS 構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，不僅結(jié)合了GPS 的定位精度高和誤差無積累的特點(diǎn)，還結(jié)合了慣性導(dǎo)航的自主性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，而且使導(dǎo)航系統(tǒng)的成本下降，可靠性增加，精度得到提高[3]。

對于低成本的MEMS-IMU在性能和精度上仍存在缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)輸出中存在野值現(xiàn)象和較大的常值漂移，嚴(yán)重地影響了系統(tǒng)的正常工作和精度，因此對MEMS-IMU輸出的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理[4]。

GPS單點(diǎn)定位也叫絕對定位，就是采用一臺(tái)接受機(jī)進(jìn)行定位的模式，它所確定的是接受機(jī)天線在WGS-84世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)中的絕對位置。外業(yè)觀測的組織和實(shí)施較為方便，數(shù)據(jù)處理較為簡單。其缺點(diǎn)是定位精度較低，可通過差分技術(shù)提高定位精度。

通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS , General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個(gè)專為高速數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的新的網(wǎng)絡(luò)，其充分利用了現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)的設(shè)備，通過在GSM 網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體[5]。按數(shù)據(jù)量計(jì)費(fèi)，可以作為GPS/IMU數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄巍?/p>

本文針對GPS和MEMS-IMU系統(tǒng)各自存在的缺點(diǎn)，基于GPRS技術(shù)提出了一個(gè)組合導(dǎo)航方案，分別對GPS和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收。實(shí)驗(yàn)表明，組合系統(tǒng)工作正常并且達(dá)到了一定的精度，適用于低精度和短時(shí)間導(dǎo)航應(yīng)用場合。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方案

低成本MEMS-IMU/GPS/GPRS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)集成發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)融合處理模塊[6,7,8,9]。

IMU模塊：采用MP6050，包含3軸陀螺儀、3軸加速儀、3軸電子羅盤以及氣壓計(jì)、溫度計(jì)以及微處理單元，可用于測量載體的線加速度和角速度。模塊內(nèi)部整合了16位的ADC傳感器允許陀螺儀和加速度計(jì)的實(shí)時(shí)采樣，提高了測量精度以及實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。模塊更提高了溫度計(jì)的偏度和靈敏度及穩(wěn)定性，這樣就降低了用戶校正的需求。此外，MP6050提升了陀螺儀在低頻噪聲的表現(xiàn)，減少了粗差出現(xiàn)的概率；還擁有程式控制的低通濾波器，讓用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開發(fā)。

SIM908模塊：SIM908是一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊。硬實(shí)物如圖2。SIM908每秒輸出1次NMEA-0183格式的GPS定位信息。$GPGGA和$GPRMC語句包含了系統(tǒng)所需的主要信息，如緯度、經(jīng)度、速度、方向、時(shí)間等。標(biāo)稱定位精度為2.5m CEP。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件資源，本文所做的工作主要包括以下三個(gè)部分：

（1）以SIM908為載體，利用單片機(jī)STM32F103作為中央處理器，集成IMU模塊，實(shí)時(shí)接收、提取GPS和IMU數(shù)據(jù)，之后通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器；

（2）建立GPS/IMU數(shù)據(jù)預(yù)處理模型和組合導(dǎo)航模型；

（3）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

三、GPS/IMU數(shù)據(jù)提取方法

1、設(shè)計(jì)GPS數(shù)據(jù)接收并提取信息的思路

根據(jù)6種特殊語句中各不相同的標(biāo)識(shí)符，判斷接收到的語句是哪一種語句并且知道該語句當(dāng)中是否包含我們需要的信息，繼而編寫函數(shù)提取我們需要的信息即可[10]。

2、IMU數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)思路

IMU每次會(huì)向外發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)，一幀是原始數(shù)據(jù)，包含加速計(jì)、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)等讀數(shù)；一幀則是經(jīng)過解算后的數(shù)據(jù)，包含姿態(tài)角、速度。而每個(gè)數(shù)據(jù)都被分解成高位和低位，并且每幀數(shù)據(jù)都有校驗(yàn)和?？紤]到IMU數(shù)據(jù)量較大（5frame/s ），且本實(shí)驗(yàn)涉及到無線傳輸，為了避免“丟包”現(xiàn)象（傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)失真）的現(xiàn)象，對每幀數(shù)據(jù)都進(jìn)行了檢驗(yàn)和驗(yàn)證，校驗(yàn)不通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄。IMU信息提取流程如圖3。

3、GPRS鏈路搭建方法

在學(xué)校辦公室中多半使用的是內(nèi)網(wǎng)，而我們的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)GPRS每張卡對應(yīng)的是一個(gè)公網(wǎng)IP。由于外網(wǎng)不能直接訪問內(nèi)網(wǎng)，所以不能直接用于TCP/IP通信[11]。為了解決這個(gè)問題，需要建立一個(gè)映射規(guī)則，讓外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)的時(shí)候知道這個(gè)內(nèi)網(wǎng)IP唯一的地址。實(shí)驗(yàn)中使用了“內(nèi)網(wǎng)通”軟件，把內(nèi)網(wǎng)的IP地址映射到一個(gè)網(wǎng)址中（公網(wǎng)），再與單板機(jī)SIM908進(jìn)行GPRS通信。

四、數(shù)據(jù)預(yù)處理模型

1、GPS差分處理

為檢驗(yàn)GPS-OEM板的定位精度，對開發(fā)板進(jìn)行精度測試，將開發(fā)板放在一個(gè)已知控制點(diǎn)上觀測一段時(shí)間，以北向?yàn)槔?，其北向誤差如圖4所示。

由圖4可以看出，北向誤差相對比較穩(wěn)定，誤差平均值在17.03m左右，最大誤差為17.075m，對于導(dǎo)航定位的精度要求來說，GPS單點(diǎn)定位誤差還是較大，有必要進(jìn)行位置差分。位置差分的基本原理是：使用基準(zhǔn)站的位置改正數(shù)去修正動(dòng)態(tài)用戶的位置計(jì)算值，以求得比較精確的動(dòng)態(tài)用戶的位置坐標(biāo)。

2、低成本IMU數(shù)據(jù)預(yù)處理

為檢驗(yàn)陀螺和加速度計(jì)原始數(shù)據(jù)的可靠性，采集靜止?fàn)顟B(tài)下IMU輸出的數(shù)據(jù)，以陀螺為例，其輸出值如圖5所示?？梢钥闯銎漭敵鲋翟诹愀浇舷虏▌?dòng)，最大值是6.5，明顯屬于粗差。必須剔除這些野值，否則會(huì)影響導(dǎo)航解算。本文利用文獻(xiàn)4中的方法對野值進(jìn)行辨識(shí)和剔除。其原理[4]為：

設(shè)y(k)為某輸出數(shù)據(jù)序列，k=1～N，求：

確定合理基點(diǎn)后，利用基點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ來確定后面數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。即對后面的數(shù)據(jù)y(j)，如果，則認(rèn)為y(j)為合理值，否則，用前一個(gè)數(shù)據(jù)來代替。

采集靜止時(shí)IMU輸出的數(shù)據(jù)，對每個(gè)陀螺輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于環(huán)境的影響和IMU敏感程度的不同， 陀螺的常值漂移是有變化的。因此，在捷聯(lián)慣導(dǎo)解算前，有必要每次啟動(dòng)都估算出陀螺的常值漂移。采取的方法是：在系統(tǒng)開始工作前，采集一定時(shí)間的IMU靜態(tài)數(shù)據(jù)，并取其平均值作為常值漂移。確定常值漂移后，對以后采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，然后再進(jìn)行解算[4]。

五、組合模型

采用松組合模式，狀態(tài)向量依次為速度誤差、姿態(tài)誤差、位置誤差、陀螺漂移誤差、加速度漂移誤差：

離散化后的狀態(tài)方程為：

其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

其中，Δt—濾波更新周期；

Wk-1—離散后激勵(lì)白噪聲過程，Wk-1的方差陣為：

觀測向量設(shè)置為GPS所測出的位置和速度與慣性系統(tǒng)所測出的位置和速度之差，觀測向量為：

觀測方程為：

式中，Vk—觀測噪聲向量。

觀測向量中的GPS與INS位置差是在WGS-84坐標(biāo)系下計(jì)算得出的，速度差是在東北天地理坐標(biāo)系下得出的。

卡爾曼濾波過程如下：

濾波增益決定了觀測量與狀態(tài)預(yù)測之間的權(quán)值。

六、實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

一方面為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)航方案在靜止?fàn)顟B(tài)下的可靠性，設(shè)計(jì)了靜態(tài)實(shí)驗(yàn)，通過接收數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)通訊和軟件接收程序是否可靠和穩(wěn)定。另一方面為了測試組合導(dǎo)航的定位精度，設(shè)計(jì)了閉合路線進(jìn)行車載實(shí)驗(yàn)，事后用上文闡述的數(shù)據(jù)預(yù)處理模型和組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測試其定位精度。

靜態(tài)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在長沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)新校區(qū)清水路，此路段開闊，并且有數(shù)個(gè)已知控制點(diǎn)。用文中設(shè)計(jì)的GPS /IMU /GPRS系統(tǒng)在一個(gè)已知點(diǎn)上進(jìn)行持續(xù)觀測，用上文設(shè)計(jì)的VB服務(wù)器程序監(jiān)聽端口并將數(shù)據(jù)保存在TXT文件中。

圖 6是數(shù)據(jù)接收界面，能監(jiān)聽端口并接收數(shù)據(jù)。圖7是用本文的GPS/GPRS/IMU遙測系統(tǒng)觀測結(jié)果（截取部分）。

由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)可知，本套系統(tǒng)在野外可以有效地使用，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心，GPRS發(fā)送延遲在1s左右，不影響使用。除卻GPS定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)返回的IMU模塊測得的姿態(tài)角也正常。實(shí)驗(yàn)期間SIM908一直正常返回?cái)?shù)據(jù)，沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，信號(hào)沒有丟失，可證明這個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)地點(diǎn)選在中南大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，選擇一個(gè)閉合路線，將整套設(shè)備搭載在汽車上，并將兩臺(tái)RTK搭載在車上以驗(yàn)證系統(tǒng)的位置精度。車載實(shí)驗(yàn)前先靜止5min，采集一部分靜態(tài)數(shù)據(jù)。另外，為了進(jìn)行GPS差分，另一塊SIM908單板機(jī)則放在一個(gè)已知點(diǎn)上作為基準(zhǔn)站進(jìn)行觀測?；居^測數(shù)據(jù)由串口傳輸?shù)诫娔X并存儲(chǔ)。遠(yuǎn)程控制中心的計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到組合導(dǎo)航軌跡。組合導(dǎo)航軌跡和真實(shí)軌跡對比圖如圖8所示，其東向最大誤差為0.7m，北向最大誤差為0.5m，高程誤差為2.5m，平面定位精度達(dá)到分米級。

由車載試驗(yàn)可以看出，系統(tǒng)工作正常，組合導(dǎo)航軌跡與真實(shí)軌跡吻合，驗(yàn)證了低成本GPS/IMU松組合結(jié)構(gòu)的可靠性和精度。

七、結(jié)語

本文介紹了一種MEMS–IMU/GPS/ GPRS組合導(dǎo)航方案，以低成本IMU模塊和SIM908模塊為載體，以GPRS為通訊平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)精度可靠、成本低、質(zhì)量輕、通信費(fèi)用低的導(dǎo)航定位與控制系統(tǒng)，并且具備定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)，具有很大的應(yīng)用潛能。