MEMS-IMU/GPS/GPRS組合導航方案設計與實現

一、引言

微機電系統（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，是實現低成本導航的主要發展方向[1,2]。但相對于傳統慣性導航系統，MEMS-IMU 的精度和穩定性還比較低，導航誤差隨時間快速增長。另一種得到廣泛使用的導航設備是GPS，GPS的定位誤差不隨時間增長，但信號易受外界條件干擾且數據輸出率比較低。

基于MEMS 技術的IMU 和GPS 構成的組合導航系統，不僅結合了GPS 的定位精度高和誤差無積累的特點，還結合了慣性導航的自主性和實時性的優點，而且使導航系統的成本下降，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，如數據輸出中存在野值現象和較大的常值漂移，嚴重地影響了系統的正常工作和精度，因此對MEMS-IMU輸出的數據應進行預處理[4]。

GPS單點定位也叫絕對定位，就是采用一臺接受機進行定位的模式，它所確定的是接受機天線在WGS-84世界大地坐標系統中的絕對位置。外業觀測的組織和實施較為方便，數據處理較為簡單。其缺點是定位精度較低，可通過差分技術提高定位精度。

通用分組無線業務(GPRS , General Packet Radio Service)是在現有GSM 網絡基礎上疊加的一個專為高速數據通信而設計的新的網絡，其充分利用了現有移動通信網的設備，通過在GSM 網絡上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體[5]。按數據量計費，可以作為GPS/IMU數據傳輸的手段。

本文針對GPS和MEMS-IMU系統各自存在的缺點，基于GPRS技術提出了一個組合導航方案，分別對GPS和IMU數據進行實時接收。實驗表明，組合系統工作正常并且達到了一定的精度，適用于低精度和短時間導航應用場合。

二、系統結構與方案

低成本MEMS-IMU/GPS/GPRS組合導航系統結構如圖1所示，主要包括數據獲取模塊、數據集成發送模塊和數據融合處理模塊[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、溫度計以及微處理單元，可用于測量載體的線加速度和角速度。模塊內部整合了16位的ADC傳感器允許陀螺儀和加速度計的實時采樣，提高了測量精度以及實現了數據的實時性。模塊更提高了溫度計的偏度和靈敏度及穩定性，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，減少了粗差出現的概率；還擁有程式控制的低通濾波器，讓用戶可根據自己的需求進行二次開發。

SIM908模塊：SIM908是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS模塊。硬實物如圖2。SIM908每秒輸出1次NMEA-0183格式的GPS定位信息。$GPGGA和$GPRMC語句包含了系統所需的主要信息，如緯度、經度、速度、方向、時間等。標稱定位精度為2.5m CEP。

根據系統結構和硬件資源，本文所做的工作主要包括以下三個部分：

（1）以SIM908為載體，利用單片機STM32F103作為中央處理器，集成IMU模塊，實時接收、提取GPS和IMU數據，之后通過GPRS將數據發送到遠程服務器；

（2）建立GPS/IMU數據預處理模型和組合導航模型；

（3）實驗驗證。

三、GPS/IMU數據提取方法

1、設計GPS數據接收并提取信息的思路

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

2、IMU數據接收設計思路

IMU每次會向外發送兩幀數據，一幀是原始數據，包含加速計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計等讀數；一幀則是經過解算后的數據，包含姿態角、速度。而每個數據都被分解成高位和低位，并且每幀數據都有校驗和。考慮到IMU數據量較大（5frame/s ），且本實驗涉及到無線傳輸，為了避免“丟包”現象（傳輸過程中出現數據丟失或者數據失真）的現象，對每幀數據都進行了檢驗和驗證，校驗不通過的數據進行丟棄。IMU信息提取流程如圖3。

3、GPRS鏈路搭建方法

在學校辦公室中多半使用的是內網，而我們的移動網絡GPRS每張卡對應的是一個公網IP。由于外網不能直接訪問內網，所以不能直接用于TCP/IP通信[11]。為了解決這個問題，需要建立一個映射規則，讓外網訪問內網的時候知道這個內網IP唯一的地址。實驗中使用了“內網通”軟件，把內網的IP地址映射到一個網址中（公網），再與單板機SIM908進行GPRS通信。

四、數據預處理模型

1、GPS差分處理

為檢驗GPS-OEM板的定位精度，對開發板進行精度測試，將開發板放在一個已知控制點上觀測一段時間，以北向為例，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定，誤差平均值在17.03m左右，最大誤差為17.075m，對于導航定位的精度要求來說，GPS單點定位誤差還是較大，有必要進行位置差分。位置差分的基本原理是：使用基準站的位置改正數去修正動態用戶的位置計算值，以求得比較精確的動態用戶的位置坐標。

2、低成本IMU數據預處理

為檢驗陀螺和加速度計原始數據的可靠性，采集靜止狀態下IMU輸出的數據，以陀螺為例，其輸出值如圖5所示。可以看出其輸出值在零附近上下波動，最大值是6.5，明顯屬于粗差。必須剔除這些野值，否則會影響導航解算。本文利用文獻4中的方法對野值進行辨識和剔除。其原理[4]為：

設y(k)為某輸出數據序列，k=1～N，求：

確定合理基點后，利用基點數據的平均值μ和標準差σ來確定后面數據的準確性。即對后面的數據y(j)，如果，則認為y(j)為合理值，否則，用前一個數據來代替。

采集靜止時IMU輸出的數據，對每個陀螺輸出的數據進行分析，發現由于環境的影響和IMU敏感程度的不同， 陀螺的常值漂移是有變化的。因此，在捷聯慣導解算前，有必要每次啟動都估算出陀螺的常值漂移。采取的方法是：在系統開始工作前，采集一定時間的IMU靜態數據，并取其平均值作為常值漂移。確定常值漂移后，對以后采集的動態數據進行補償，然后再進行解算[4]。

五、組合模型

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

離散化后的狀態方程為：

其中，狀態轉移矩陣為：

其中，Δt—濾波更新周期；

Wk-1—離散后激勵白噪聲過程，Wk-1的方差陣為：

觀測向量設置為GPS所測出的位置和速度與慣性系統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坐標系下計算得出的，速度差是在東北天地理坐標系下得出的。

卡爾曼濾波過程如下：

濾波增益決定了觀測量與狀態預測之間的權值。

六、實驗與結果分析

一方面為了驗證本文設計的組合導航方案在靜止狀態下的可靠性，設計了靜態實驗，通過接收數據，測試數據通訊和軟件接收程序是否可靠和穩定。另一方面為了測試組合導航的定位精度，設計了閉合路線進行車載實驗，事后用上文闡述的數據預處理模型和組合導航數據融合模型進行數據處理，測試其定位精度。

靜態實驗地點選在長沙市岳麓區中南大學新校區清水路，此路段開闊，并且有數個已知控制點。用文中設計的GPS /IMU /GPRS系統在一個已知點上進行持續觀測，用上文設計的VB服務器程序監聽端口并將數據保存在TXT文件中。

圖 6是數據接收界面，能監聽端口并接收數據。圖7是用本文的GPS/GPRS/IMU遙測系統觀測結果（截取部分）。

由靜態實驗可知，本套系統在野外可以有效地使用，可以把數據發送到遠程控制中心，GPRS發送延遲在1s左右，不影響使用。除卻GPS定位數據，系統返回的IMU模塊測得的姿態角也正常。實驗期間SIM908一直正常返回數據，沒有出現錯誤，信號沒有丟失，可證明這個系統的可靠性。

動態試驗地點選在中南大學新校區內，選擇一個閉合路線，將整套設備搭載在汽車上，并將兩臺RTK搭載在車上以驗證系統的位置精度。車載實驗前先靜止5min，采集一部分靜態數據。另外，為了進行GPS差分，另一塊SIM908單板機則放在一個已知點上作為基準站進行觀測。基站觀測數據由串口傳輸到電腦并存儲。遠程控制中心的計算機將接收到的數據進行預處理并進行數據融合，得到組合導航軌跡。組合導航軌跡和真實軌跡對比圖如圖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，平面定位精度達到分米級。

由車載試驗可以看出，系統工作正常，組合導航軌跡與真實軌跡吻合，驗證了低成本GPS/IMU松組合結構的可靠性和精度。

七、結語

本文介紹了一種MEMS–IMU/GPS/ GPRS組合導航方案，以低成本IMU模塊和SIM908模塊為載體，以GPRS為通訊平臺，實現了一個精度可靠、成本低、質量輕、通信費用低的導航定位與控制系統，并且具備定位和姿態數據，具有很大的應用潛能。