组合导航-IMU-GPS-RTK基本介绍

组合导航是指综合各种导航设备，由监视器和计算机进行控制的导航系统。大多数组合导航系统以惯导系统为主，综合卫星导航系统，其原因主要是由于惯性导航能够提供比较多的导航参数，还能够提供全姿态信息参数，这是其他导航系统所不能比拟的。内置三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴磁传感器，可以测量载体的速度、位置、姿态，以及输出补偿后的角速率、加速度、磁场等数据信息。

1、IMU

IMU，全称inertial measurement unit，即惯性测量单元，主要用于测量自身位姿，位姿包含位置和姿态。惯性导航系统（IMU）由陀螺仪、加速度计等惯性传感器 和导航解算系统集成而成。陀螺仪和加速度计是系统的核心器件，陀螺仪测量物体 的角速度，加速度计测量物体的加速度。典型的惯导产品包含 3 组陀螺仪和加速度 计，分别测量三个自由度的角速度和加速度，通过积分即可获得物体在三维空间的 运动速度和轨迹。
加速计测量三轴上的加速度，陀螺仪测量绕三轴的角速度，通过这两种传感器数据，可以计算出IMU自身的位姿变化，即当前时刻相对于上一时刻的姿态变化。惯导可以拿到：角速度 加速度 以及位姿

显著的缺点：

我们使用IMU器件最终想要获取的是位姿数据，包含位置和姿态，而实际IMU直接测量的数据是加速度和角速度，需要对角速度进行一次积分计算角度，也就是姿态；对加速度进行二次积分获取距离，也就是位置。由于种种原因，所有的传感器测量数据，都有测量误差，而IMU是通过积分实现间接测量值，且其参考数据是上时刻数据，这就造成其误差也会随着时间传递下去，时间越久，其误差越大，这一特性成为数据漂移，所以IMU一般需要与其它传感器配合使用。

2、IMU与AHRS、GPS

AHRS，全称Attitude and Heading Reference System，即航姿参考系统，其组件为加速计、陀螺仪和磁力计，可以看到AHRS比IMU多一个磁力计，磁力计可以测量磁场的方向和强度。AHRS与IMU都可以测量位姿，但是其参考坐标系不同，IMU参考坐标系是其上一时刻的位姿，AHRS的参考坐标系一般是导航坐标系，例如东北天或者北东地坐标系。AHRS可以测量静止状态时的绝对姿态，IMU测量相对位姿。市面上有些IMU实际是集成了AHRS，模式可配置选择。

在自动驾驶定位算法中，IMU+GPS被称为黄金搭档，其主要原因是这两种器件互补性比较好，其数据有以下特征：1、频率互补，GPS频率一般为10Hz，IMU频率一般为100Hz。2、数据干扰互补，GPS数据易受环境影响，例如高楼、隧道等；IMU不易受外界干扰。3、数据误差互补，IMU存在数据漂移，GPS每次测量都是独立的，即与上次测量无关，所以不存在误差累计。4、 IMU测量的是相对位置，GPS测量的是绝对位置。

3、GPS

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。

RTK（Real - time kinematic，实时动态）载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新的测量原理和方法，极大地提高了作业效率。

4、总结

在实际应用中，需要利用 GPS、北斗等方式产生的信号进行初始化，结合惯导信号和卫星导航信号进行进行卡尔曼滤波处理，得出其最佳推算的定位信息。 惯导比起卫星定位具有自身的技术优势，测量方法不依赖外界，短期精度高，能稳 定高频地输出信号。工作原理是通过感知物体在空间的角速度、线速度，进而获取物体的姿态、位置和速度等信息，实现对运动物体姿态和运动轨迹的测量，可以实现全天候全地点地工作。但惯导也有自身的缺陷，由于采用积分算法，定位误差随 载体运行不断累积。