弱GNSS信号区域的GNSSINSLiDAR高精度定位方法及其应用研究

弱GNSS信号区域的GNSS/INS/LiDAR高精度定位方法及其应用研究GNSS导航定位技术是室外高精度定位的主要手段,在开阔环境中,GNSS信号不受遮挡,观测质量良好,利用RTK(Real-timeKinematic)等技术可实现厘米级动态定位,GNSS高精度定位技术已被广泛应用于社会民生各个领域。与之密切相关的移动测图系统也得以迅速发展,它通过GNSS/INS等位置及姿态传感器将环境遥感传感器(激光雷达、相机等)采集到的信息转换到统一的框架下实现高精度的地图绘制。然而在森林、城市峡谷等区域内,GNSS卫星信号受到树冠或者建筑物的遮挡和多次折返射后,造成有效数据丢失,信号强度变弱,同时会导致观测噪声扩大,利用RTK技术时,其载波相位模糊度很难固定,定位精度从厘米级退化到分米级,甚至米级,制约了GNSS/INS组合导航系统的定位精度,不能满足高精度的制图需要。针对弱GNSS信号区域中高精度定位的难题,本文采用了基于相对定位的激光雷达特征匹配与GNSS/INS深度融合,实现该区域环境下的高精度定位。本文分别从GNSS/INS导航理论、激光雷达导航理论、GNSS/INS/激光雷达多传感器融合理论等方面对弱GNSS信号区域的高精度定位可行性进行了研究,为移动测图等应用的连续稳定高精度定位提供了一种新的解决方案。本文提出了一种新的GNSS/1NS/激光雷达的组合导航模型,给出了实现长距离的厘米级动态定位的实用解决方案,并通过具体的实践应用验证了解决方案的可行性和有效性。主要研究工作如下:(1)对组合导航相关基础理论进行了总结,包括常用坐标系及其转换关系的表达方法;传感器的观测模型即惯性传感器测量模型、GNSS测量模型和激光雷达测量模型;时间同步和空间同步方法;卡尔曼滤波和扩展卡尔曼滤波理论。推导并实现了导航坐标系下的高精度惯性导航机械编排算法。构建了GNSS/INS松组合扩展卡尔曼滤波模型。最后,通过仿真实验分析了GNSS/INS组合导航在不同环境下的导航性能。(2)对基于概率的激光雷达SLAM理论进行了梳理。建立了基于点特征的EKF-SLAM模型。基于仿真实验对EKF-SLAM的定位精度进行分析,结果表明EKF-SLAM的定位精度随着运行距离不断下降,仅能在短距离内实现较高精度的定位,而航向角误差是引起EKF-SLAM位置误差的主要原因。根据敏感性分析的结果,获取了三种提高EKF-SLAM定位精度的方法:(1)提高地标点的观测精度;(2)提高激光雷达的有效观测距离;(3)为EKF-SLAM提供航向角信息。其中前两种方法需要增加硬件成本,第三种方法可通过与其他导航源相结合实现,且对定位精度提升明显,如果依靠其他导航源,为EKF-SLAM提供高精度航向角信息,则有可能实现长距离的高精度定位。基于导航坐标系,对激光雷达/INS组合导航模型进行了推导,仿真实验表明,当使用战术级IMU时,激光雷达/INS组合导航比单一系统的定位精度有大幅度提高,然而对航向角的初始精度要求很高,若初始航向角存在误差,则组合系统的定位精度会快速下降,所以单独依靠INS与激光雷达组合也很难实现长距离内的高精度定位。(3)基于动、静态滤波模型构建了以东北天坐标系为导航系的GNSS/INS/激光雷达紧组合导航模型,该方法既克服了集中式卡尔曼滤波器容错性差的缺点,也对联邦滤波器次优估计的缺点进行了改进,同时也易与抗差滤波和自适应滤波理论结合。并通过仿真实验分析了GNSS/INS/激光雷达紧组合的导航性能,实验结果表明:GNSS/INS/激光雷达紧组合导航可以显著的改善GNSS/INS的航向角精度和位置精度,当处于弱GNSS信号区域时,基于战术级IMU的GNSS/INS/激光雷达可以实现长距离厘米级动态定位。针对弱GNSS信号区域的特点,提出了一种基于GNSS/INS辅助激光雷达的分布式EKF-SLAM模型来实现三者的组合,将GNSS/INS的导航结果与激光雷达特征观测融合于EKF-SLAM框架中,将GNSS/INS和EKF-SLAM分布式处理,比之紧组合模型,极大的改善了短时相对定位精度,降低了系统复杂度,稳定性高,易于实际应用。探究了利用组合系统高精度的相对定位结果辅助GNSS实现长时间中断下的快速重新初始化,基于历元间差分模型和阻尼LAMBDA的模糊度变化搜索方法,提出了基于激光雷达辅助的GNSS快速重新初始化方法。实验证明,该方法可以在GNSS长时间中断下有效的估计模糊度变化,实现快速重新初始化。(4)基于具体的林业制图应用,对上述理论进行了实验验证。主要包括以下三点内容:GNSS/INS组合导航作为移动激光测量系统的传统定位定姿手段,虽然采用了高精度的测量型GNSS接收机和战术级IMU,但是在森林环境下,由于树冠对GNSS卫星信号的遮挡,无法获得RTK固定解,GNSS/INS的定位精度仅为亚米级,相比之下,由IMU决定的姿态仍可维持较高精度,在本文实验环境下,后处理的航向角RMS可以达到0.07°。EKF-SLAM在茂密的森林中是一种有效的导航手段,然而当环境特征匮乏时,会引入观测误差,导致位置和航向角估计误差,航向角误差会导致位置误差的快速累积。在特征丰富的环境下,EKF-SLAM可以在短距离实现厘米级的动态定位。分布式EKF-SLAM可以在整个实验路段实现厘米级的动态定位,因为GNSS/INS的航向角和速度信息可以很好的辅助EKF-SLAM提高定位精度,短距离的定位精度相比EKF-SLAM也有显著提高。应用该方法,首次在森林环境下实现了长距离厘米级动态定位,而且其短时相对定位精度也远高于GNSS/INS,有效的提高了成图质量。综上,本文系统研究了利用GNSS/INS/激光雷达组合导航实现弱-GNSS信号区域的长距离高精度定位的理论与方法,从理论和实践的角度提出了一套新的解决方案,通过具体的林业制图应用对其可行性和有效性进行了验证。