摘要：設計一種嵌入式衛星/MEMS組合導航模塊。該模塊采用北京時代民芯科技有限公司的國產化GPS/BD多模導航接收機，實現與MEMS慣性器件的軟硬件融合。基于工程化應用，提出一種高可靠擴展卡爾曼濾波器濾波算法，實時校準各種誤差項，改善組合導航模塊性能。在靜態情況下，模塊姿態角誤差小于0.2°，航向角誤差小于0.5°。在動態情況下，姿態角與航向角誤差小于1°，如果衛星導航突然中斷，將能持續30秒，定位精度維持在20米內。

　　引言

　　隨著北斗導航應用的不斷推廣，國產導航芯片和模塊持續升級，各領域應用對北斗導航產品性能提出新的要求：低成本、低功耗、小型化、高精度。

　　其中，GPS/BD多模導航的實現，很大程度滿足國內外需求，集合MEMS慣性傳感器的組合導航模塊，進一步豐富多層面用戶應用。與傳統導航系統相比，衛星/MEMS組合導航模塊，采用較低成本的MEMS慣性器件，極大降低導航系統成本、功耗和體積，與此同時，MEMS慣性器件具有瞬間較高精度的特點，彌補衛星導航不連續、輸出頻率不高、易失鎖等不足[1~3]。

　　由于MEMS-IMU(IMU，慣性測量單元)精度仍處于較低水平，無法單獨實現導航。通常采用MEMS-IMU與衛星導航接收機、磁強計等相結合的方式，構建組合導航模塊，實現較高精度姿態控制與導航定位[2]。

　　為了適合特定導航應用，提出一種衛星/MEMS組合導航模塊用工程化濾波算法。并在嵌入式平臺上實現。

　　衛星/MEMS組合導航，通過算法實現角速度校準，加速度校準，以及磁校準;估計載體姿態角度，位置和速度信息，并以較高的輸出速率實時更新。該系統中采用擴展卡爾曼濾波器(EKF)估算并校準系統狀態量。通過融合衛星導航信息和磁強計信息，實時校準系統姿態、位置、速度和傳感器誤差。該EKF融合算法，考慮到傳感器主要特性：零偏、標度因數誤差、正交耦合誤差等。此外，由于磁強計感測地磁場強度時，會受到硬鐵和軟鐵干擾，因此在濾波器中對其進行估計。在靜態情況下，系統姿態角誤差小于0.2°，航向角誤差小于0.5°。在動態情況下，姿態角與航向角誤差小于1°，如果衛星導航突然中斷，將能持續30秒，定位精度維持在20米內。　　

 　　模塊設計

　　綜合考慮成本、功耗、體積、可靠性等因素，衛星/MEMS組合導航模塊采用嵌入式平臺開發方案[6]，如圖1所示。系統由處理器、MEMS-IMU、GPS/BD多模導航接收機、磁強計等重要部件組成。

　　姿態與航向校準算法

　　理想情況下，將陀螺感測的角速度信息融入姿態處理器，在獲悉載體初始姿態情況下，同時認為陀螺的輸出比較精準，一般的解算足以獲得夠用的姿態信息。然而，通常初始姿態無法準確獲得，陀螺和加速度計都遭受隨機漂移、失準角誤差、加速度敏感誤差、標度因數誤差及其非線性等因素的影響，磁強計存在磁感應失真等。如圖2所示，通過工裝將模塊安裝于測試設備上，設計合理標定流程和算法，便可獲得陀螺和加速度計常值零偏、標度因數、失準角誤差量等關鍵參數。

　　通常在組合模塊安裝好之后，對磁強計的誤差和干擾進行校準。姿態與航向解算中，陀螺的漂移引起的誤差最大，如果沒有濾波算法，解姿信息將不斷偏離真實數值。該卡爾曼濾波器提供在線陀螺漂移校準，加速度計提供重力軸系參考，磁強計通過與加速度計配合，提供航向參考。

　　姿態估計算法中，提供穩定的三維歐拉角roll、pitch、yaw，為了提高精度并避免奇異，采用四元數法實時更新方向余弦矩陣。MEMS陀螺感測到載體角速度，通過差分方程實時更新姿態四元數，同時獲得更新后的方向余弦矩陣，從而獲得姿態角的更新。

　　卡爾曼濾波器姿態校準的實現，之所以能夠改善性能，主要在于它能夠準確估計出陀螺的漂移和姿態誤差。這種方式的優點是：濾波器估計了絕對姿態誤差，因而無論是哪一部分誤差污染了姿態角，都可以直接用其來校準姿態角輸出。姿態與航向校準模塊，采用EKF，包含兩個部分：線性姿態誤差與陀螺漂移模型，非線性姿態四元數誤差模型。狀態模型基于陀螺輸出數據，預測姿態誤差和陀螺漂移，量測模型采用真實世界的姿態誤差量測值校準預測部分，該姿態誤差量測值由加速度計與磁強計獲得。這兩個參考數據源向卡爾曼濾波器提供適當的置信水平[4]。

　　航姿模塊路測試驗

　　為了能夠正確推算模塊的姿態、速度、位置等信息，準確對準初始姿態是十分必要的。由于低精度MEMS陀螺不能感測到地球自轉角速率，因此不能采用傳統的自對準方法實現初始化對準。基于系統方案，將磁強計與MEMS加速度計進行組合，構成測姿模塊，實現初始化對準。如圖2所示，單片磁強計由三軸正交磁阻傳感器與數字化ASIC接口構成，磁強計不能單獨確定航向角，需要MEMS-IMU模塊中的加速度計配合，輔助磁強計精確確定航向角[2]。