Page 14 - 《武汉大学学报（信息科学版）》2025年第10期
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第 50 卷第 10 期       王甫红等：智能手机 GNSS/MEMS IMU 车载组合导航的安装角估计算法                            1949


                Key  words：  mounting  angle；  non-holonomic  constraint；  smartphone；  GNSS/MEMS  IMU  integrated
                navigation； vehicle-borne navigation

                    智 能 手 机 大 多 内 置 了 全 球 导 航 卫 星 系 统           考虑到智能手机使用低成本消费级 MEMS IMU
               （global navigation satellite system，GNSS）、微 机    传感器，INS 推算误差随时间累积迅速增加，同时
                械 惯 性 测 量 单 元（micro-electro-mechanical  sys‑    受城市遮挡环境的影响，GNSS 测速精度在分米
                tem  inertial  measurement  unit，MEMS  IMU）、磁   级甚至米级      ［20］ ，直接使用这些方法将会影响安装
                力计等传感器和高性能处理器，具备通信和导航                           角估计精度，进而降低智能手机车载导航系统的
                定 位 等 功 能 ，已 成 为 大 众 出 行 的 首 选 导 航 工            性能。
                具   ［1-3］ 。充分利用智能手机内置 MEMS IMU 的                    本文将充分利用智能手机 GNSS 和 MEMS
                数据，通过 GNSS/MEMS IMU 组合可以改进城                     IMU 观测数据，使用载波相位时间差分（time-dif‑
                市 复 杂 环 境 下 的 大 众 导 航 定 位 的 连 续 性 和 可           ferenced carrier phase，TDCP）得到的历元间位置
                靠性  ［4-6］ 。                                     变化量构建安装角的观测方程，提出一种适用于
                    在车载 GNSS/惯性导航系统（inertial naviga‑            智能手机车载导航的安装角滤波估计方法，并通
                tion system， INS）组合导航算法中，因建筑物、树                 过车载实验来验证其可行性和有效性。
                荫等遮挡导致 GNSS 不可用时，通常采用零速修
                正（zero velocity update，ZUPT）、零积分航向角速            1 安装角估计算法的框架设计
                率（zero integrated heading rate，ZIHR）和 非 完 整
                                                                    本文提出的智能手机 GNSS/MEMS IMU 车
                性 约 束（non-holonomic constraint，NHC）等 车 辆
                                                                载组合导航的安装角估计算法的框架设计如图 1
                运动学约束来抑制 INS 误差的快速累积，提高车
                                                                所示。整个安装角估计算法分为两步：（1）安装
                辆的定位精度和性能          ［7-10］ 。当不发生侧滑或颠簸
                                                                角初始化。在车辆运动过程中，当 GNSS/INS 紧
                时，车辆只有沿车体前向的运动速度，其侧向和
                                                                组合滤波    ［21］ 收敛后可得到 MEMS IMU 的 b 系相
                垂向速度为 0。NHC 算法以此来建立观测方程，
                                                                对于 n 系的姿态角，同时利用 TDCP 得到车辆 v
                参与组合导航滤波处理，有效提升复杂环境下的
                                                                系相对于 n 系的航向角，由此计算安装角的航向
                车载组合导航性能。
                                                                角 ，并利用 IMU 加速度数据计算俯仰角和横滚
                    在使用 NHC 算法之前必须标定 IMU b 系和
                                                                角，来初始化安装角滤波器的安装角矩阵。初始
                车 辆 v 系 之 间 的 姿 态 参 数   ［11］ ，即 IMU 安 装 角 参
                                                                化过程中，由于安装角未知，GNSS/INS 紧组合
                数。大众使用智能手机进行车载导航时，通常将
                                                                滤波不能使用 NHC 约束。（2）安装角滤波估计。
                手机放置于手机支架上，安装角一般较大且难以
                                                                利用 TDCP 计算得到的历元间位置变化量来构
                精确测定，需要在线精确估计 MEMS IMU 的安
                                                                建安装角滤波估计的观测方程，通过在线滤波处
                装角。当前，大多数学者以 NHC 约束方程为基
                                                                理提高安装角的估计精度。整个安装角估计过
                础来建立安装角估计的观测方程，通过卡尔曼滤
                                                                程中均使用了 TDCP 算法。为确保 TDCP 计算
                波在线估计并更新安装角参数。文献［12-14］利
                                                                的航向角能代表车辆行驶的航向，当车辆处于直
                用 GNSS 测速或者组合导航速度结果构建观测
                                                                线行驶且达到一定的运动速度时，才能进行安装
                方程，其中文献［14］还加入 GNSS 航向角约束来
                                                                角初始化或滤波估计。
                提高估计精度。文献［15-17］以里程计测得的里
                程增量或组合导航定位结果得到的位移量来构
                                                                2 安装角初始化及滤波模型
                建观测方程，对 IMU 安装角进行估计。以上文献
                中大部分    ［14-17］ 仅对小角度安装角开展了相关实验                 2.1 大安装角初始化方法
                分析。此外，文献［18］通过 IMU 静止时加速度数                          用户使用智能手机进行车载导航时，通常采
                据计算安装俯仰角与横滚角，通过将车辆航向角
                                                                用倾斜安置将手机屏幕朝向驾驶者，导致手机内
                与 IMU 姿态航向角作差得到粗略 IMU 安装航向
                                                                置 IMU b 系与车辆 v 系之间存在较大的安装角，
                角。文献［19］将车辆运动分解为平移与旋转两
                                                                且每次安置手机时均会存在一定的偏差，因此在
                个分量并以此构建观测方程，实现对小角度安装
                                                                每次进行车载导航时，需要重新估计手机的安装
                角的准确估计。这些方法为智能手机车载组合
                                                                角。在安装角滤波估计之前，首先对大安装角进
                导航的安装角估计算法研究提供了很好的参考，
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