GNSS-INS-UWB高精度定位模组关键技术及应用

GNSS/INS/UWB高精度定位模组关键技术及应用背景及需求模组研制及应用一模组关键技术二三国家战略需求《新一代人工智能发展规划》(2017-2030)重点突破…实时精准定位、面向复杂环境的适应性智能导航等共性技术。《智能汽车创新发展战略》(2020)…推进车载高精度传感器等产品的研发与产业化，加快北斗卫星导航定位系统在智能汽车相关领域的应用智能导航装备关系到自动驾驶、智能控制及应急救援等各类行业需求，国家已对智能导航、定位技术、装备与产业发展进行了战略部署。室内外无缝位置服务智能芯片/硬件自动驾驶定位模组研制是智能导航装备的重要组成部分，已成为万物互联、人工智能和未来超智能应用的核心技术之一毫米/厘米/分米级高精度米级/亚米级定位其它低精度物联网智能驾驶智慧城市地形测图塔吊防撞井筒监测桥梁变形监测建筑遗产信息留取高精度低动态定位海上钻井平台安全监测武汉长江大桥海洋平台变形监测模组公路沿线边坡变形监测模组为桥梁、滑坡、构筑物等变形体/震动体提供毫米级监测需求与快速预警。高精度高动态导航无人驾驶导航武器制导航空导航舰船导航无人驾驶高精度定位已走向应用自动驾驶上海临港智能网联汽车综合试验场四川金瑞麒智能科学公司 新石器载物无人车高精度实时定位模组为无人车智能决策提供了关键信息。高速应用低速应用无人驾驶模组位

置信

息将

成为

应急

救援

的战

略资

源各种精度混合定位应用赛事安保室外开阔区域警力人员定位警情位置感知，警力资源优化部署内涝倒塌遮蔽/半遮蔽区域救援人员定位救援人员实时调度、救援资源合理分配火灾解救室内外区域救援人员/特警无缝定位救援人员路径规划、救援人员合理调配PPP/CORS室外应急定位基准构建，GPS/UWB室内外无缝定位基准构建；GNSS/INS车载应急定位终端；北斗短报文定位终端；GNSS/UWB融合定位终端；UWB定位终端；云端一体化综合减灾服务系统，解决应急定位、融合与减灾服务等技术难题。应急导航与定位模组背景及需求模组研制及应用一模组关键技术二三芯片等原材料制作或采集PCB设计模组调试制板设计电路设计版图绘制原理图PCB制板嵌入式开发系统设计架构整机装配系统调试集成测试设备生产设备维护系统应用扩展定位模组设计技术迭代初始化迭代初始化-34-36-38-28-30-32航向角(°)0 100 200

300

400

500

600时间（s）KF前向RTS平滑RTS辅助前后向时间同步测图定位模组时间同步 测图定位模组提高了GNSS/惯导等传感器时钟精确匹配的稳健性，时钟匹配精度优于1ms。原始信息同步采集与延时补偿技术建立多源传感器时间同步误差估计和补偿模型，构建融合时间补偿参数的状态方程。大幅降低了嵌入式平台的资源消耗并行高效处理技术并行高效处理技术状态简化模型处理状态简化模型处理观测值序贯更新观测值序贯更新时间分片处理时间分片处理误差模型降阶误差模型降阶载波、伪距UD分解更新载波、伪距UD分解更新双线程同步处理双线程同步处理INS解算INS解算融合处理融合处理线程1线程2序贯更新与时间分片并行高效处理技术解算模块的优先级控制策略，创建了序贯更新与时间分片的并行高效处理技术。抗差自适应KALMAN滤波理论与模型惯性辅助高精度定位模型MISRA C语言开放标准（车标）厘米级高精度测绘模组分米级自动驾驶定位模组毫米级变形监测模组分米-厘米-毫米级多精度软硬模组关键技术研制自适应定位算法，编写稳健的代码，突破了分米-厘米-毫米级等多精度的软硬模组关键技术。替换算法，如选择快速排序方法汇编法，对关键部分进行改写采用内存空间来换取时间；避免递归法多等级惯性器件适配观测环境的自适应多场景的典型应用嵌入式固件参数动态更新方法，创建场景自适应的固件选配技术一套核心模组，兼容多器件、多环境以及多场景应用背景及需求模组研制及应用一模组关键技术二三UWB分米级定位模组及系统应用123GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用GNSS/IMU毫米级高精度形变监测模组及应用高精度变形监测模组及其性能性能指标信号BDS

B1/B2/B3单点定位平面：士1.5m高程：士3mGPSL1/L2/L5GLONASS/L1/L2DGPS(RMS)平面：士0.4m高程：士0.8mGALILEO

E1/E5a/E5bQZSS

L1/L5RTK(RMS)平面：士8mm+1ppm高程：士15mm+1ppmSBAS

L1初始化时间<

10秒（典型值）精度(RMS)平面：士3mm+1ppm高程：士5mm+1ppm初始化可靠性>

99.9%PCB设计加密PCB变形监测模组设备特性：采用高精度低功耗北斗板卡支持北斗/GNSS/惯导数据采集与处理8G标配内存，U盘方式数据读取私有协议、加密数据传输4G通信，数据传输更稳定9-36vDC宽压供电，环境适应性高GPS原始时间序列风载振动频率海上石油钻井平台1案例一：海洋钻井平台安全监测渤海某油田钻井平台安全监测应用，能有效监测风浪恶劣环境海上钻井平台的风振频率变化。CB246A钻井平台监测点风载振动监测3.1GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用加速度计变分模态分解希尔伯特黄变换功率谱分析时间-频率-能量谱-+VMD-HHT去噪加速度重构频域积分振动位移确定截止频率GNSS重构位移加速度计原始数据VMD-HHT辅助的频域积分算法加速度计积分位移3.1

GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用案例一：海洋钻井平台安全监测当钻井平台遭受船只连续撞击时，MEMS

IMU加速度计和GPS集成能有效监测位移及高频振动响应，把握结构的健康状态。山西省兴县南山某高速公路施工沿线边坡滑坡预警实时监测。案例二：高速公路施工沿线滑坡变形监测滑坡监测区域位置边坡地形环境边坡地形陡峭，地基已松软土层和风化岩石为主，滑坡风险系数高：事关高速公路施工安全及建成后的运行安全；边坡靠近城区，滑坡事关人民生命安全；1应用案例二3.1

GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用累计位移累计位移变化单监测站点变形位移实时监测12号监测站24小时连续监测东北天最大变形量分别为：E

-0.01m，N

0.02m，U0.03m。12号监测站24小时连续监测东北天累计变形量分别为：E

-0.01mm，N

0.08mm，U-0.32mm。12号监测站24小时连续监测东北天形变标准差分别为：E

1.92mm，N

2.81mm，U5.83mm。1案例二：高速公路施工沿线滑坡变形监测3.1GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用UWB分米级定位模组及系统应用123GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用MEMS

IMU紧组合无人驾驶定位测姿模组GNSS/INS紧融合解算云平台GNSS/INS紧组合软硬模组2GNSS/INS车载紧组合模块性能信号跟踪GPS：L1/L2BDS：B1/B2/B3GLONASS：L1/L2（可选）GALILEO:E1/E5b惯性导航位置保持：1km/2min3.75m（1σ）航向精度：

0.15°

/min水平位置精度RTK（RMS）:1cm+1ppm定向精度(RMS)：0.2°，1

米基线首次锁定时间热启动<30s冷启动<50s重捕<2s高程定位精度RTK

浮动(<10km)：1.0m+10ppmRTK

固定(<5km)：0.2m+1ppm数据更新率GNSS：5Hz、10Hz；组合导航：100Hz3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用10TDS2S4S3S1P(D|

H0)P(D|

H1)

=

'MW

=

MW

=

'MW

=

MW-3-2-1012-模拟周跳（L1:1,L2:0）失锁10sD（周）446800

447000

447200

447400

447600

447800GPS时（s）

L(1,-1)L(-3,4)失锁5sEASTWESTSOUTHG1090015304560G6

75G9G23C6G17C1C2C3C4C5C8G5

C9EndG12

G2StartC14Base

Sat:G10,

C6周跳探测评价指标短时失锁周跳探测选取模糊度子集NORTH部分模糊度固定3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用GNSS/INS紧组合定位理论建立了INS辅助的GNSS周跳实时探测、整周模糊度快速固定模型，在城市复杂区域，高精度定位可用性提高20%左右；绿色-固定（1166）；橙色：浮点（165）；车载RTK紧组合车载驾驶测试场景23.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用复杂环境下模糊度固定率测试测试时间：2019.8.25 14:34:51-15:02:27，总历元1657（包含失锁时段）车载RTK：固定历元1166，固定率70.37%紧组合：固定历元1363，固定率82.26%固定历元数提高：16.98%（紧组合固定历元-RTK固定历元+1）/RTK固定历元）城市开阔环境组合导航模块位姿偏差城市开阔环境测试在城市开阔环境下，紧组合定位模式定位精度达厘米级，姿态精度在0.05°以内（均方根误差）。可满足高精度自动驾驶位置需求。3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用GNSS/IMU/ODO组合定位方向RMSE[m]0.018N[m]0.016U[m]0.024Heading[°]0.038Pitch[°]0.026Roll[°]0.036城市峡谷环境测试高楼林立街道，GNSS/INS/里程计固定成功率比GNSS模式高13.57%，在树木遮挡街道环境中，成功率提高了55%左右。紧组合平面定位RMS约为0.03m，高程RMS约为0.05m。在城市峡谷环境紧组合解算情况城市峡谷环境组合导航模块位姿偏差3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用树木遮蔽环境测试在树木遮蔽环境下，紧组合定位模式定位精度达0.2m以内。3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用城市高架环境测试沿城市高架下行驶750m，紧组合定位模式定位精度达0.5m以内。3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用城 道 合导航模式位置市隧组偏差卫星失锁时长[s]E[m]N[m]U[m]Heading[°]Pitch[°]Roll[°]100.0710.2010.1640.0480.0640.074300.2030.3081.3980.1340.0660.067600.2491.0332.3550.1430.0750.061200.3281.7352.3860.1440.0810.057城市隧道紧组合模式位姿测量中误差East(m)North(m)Up(m)Heading(°)Pitch(°)Roll(°)城市隧道环境测试紧组合模组在失锁60s内平面RMS优于1m，120s以内平面RMS优于2m。紧组合模组测试轨迹3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用靠左车道中间行驶靠右行驶靠中偏右行驶靠中间行驶靠中间行驶车辆中线组合结果位置城市地下车库环境测试地库跑车五圈，跑车轨迹正常，地库失锁时长100s，定位精度在0.5m-1.0m。3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用注：红色虚线为地库中轴线2无人驾驶组合定位装备模组已开展6000余次测试，累计里程超257,500km广州某科技园车载测试场景上海某综合场景车载测试轨迹成都某著名公园车载测试场景2020卫星导航定位创新应用奖

银奖隧道高楼高架树洞城市复杂测试场景高精度定位定姿系统（iGPOS）高精度车载导航定位系统(iNAV2)3.2

GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用UWB分米级定位模组及系统应用123GNSS/INS厘米级无人驾驶模组及应用GNSS/INS毫米级高精度形变监测模组及应用BeSpoonPCB

layoutUWB

PCBAUWB定位设备UWB定位模组及性能3UWB组网设备RTK/UWB基站UWB组网设备PerformanceParameter电压3-5V接收灵敏度-118dBm精度测距精度10CM，定位精度可达10-30cm视距距离最远通信距离可达80m标准硬件接口UART、I2C、SPI、USB

和多个

GPIO

管脚尺寸9*12.5*0.7cmRTK/UWB基站PerformanceParameterReceiving

sensitivity−118

dBmRanging

accuracy≤10

cmRanging

distanceMax880

mSatellite

systemGPS,BDS,Glonass,

GalileoRTKpositioning

accuracyB1/B2/B3/L1/L2/L5/G1/G2Singlepointpositioning

accuracy2–5

cmSamplingrateof

GNSS≤1.5

mCommunication

mode1–10

Hz3.3

UWB分米级定位模组及系统应用序号实际坐标量测坐标测量误差平面误差XTYTXMYMxy11.61.61.2871.5180.3130.0820.32423.23.23.1053.0280.0950.1720.19633.63.63.5783.7710.0220.1710.17244.84.84.8095.0170.0090.2170.21756.46.46.1956.9680.2050.5680.604UWB定位性能研究基站设置：A0(0,

0,

0.85)、

A1(7.2,

0,

0.85)、A2(7.2,

7.2,

0.85)、A3(0,

7.2,

0.85)；测试点设置：T1（1.6,1.6）、T2（3.2,3.2）、T3

（3.6,3.6）、T4

（

4.8,4.8）和T5

（6.4,6.4）五个测试点；测试时间：每个测试点采集30个历元。3定位精度可达分米级定位结果图3.3

UWB分米级定位模组及系统应用定位基准自组修护自组网策略定位基准递推更新定位基准静态组网anchor

EX

,Y,Zanchor

DX

,Y,Z

3.3

UWB分米级定位模组及系统应用动态组网系统工作前，在地面布置（≥3个）已知坐标的基站点，UWB相互测距，往巷道传递坐标，通过解算，求得待定点的坐标位置，覆盖整个区域。固定基站覆盖完毕后，移动标签可以在地下巷道环境中进行精度定位。固定基站待定基站定位标签固定基站固定基站待定基站3.3

UWB分米级定位模组及系统应用案例一：井下综合采煤面作业人员应急组网定位应用井下综合采集面环境无 采工作面人开

2019

年4月18日至19日，在河北省张家口市中国中煤能源集团石家庄中煤装备制造股份有限公司利用UWB应急组网装备和系统进行井下综合采煤面作业人员应急组网定位应用示例。井下综采面的特点井下综合采煤面作业空间小、狭长，基站布设位置选取困难；井下环境复杂，通视性差，UWB测距信号受多路径效应影响严重；井下基站位置随工作面变化，基站无法保证位置不变；井下综采面工作人员流动性大，对定位精度要求高。33.3

UWB分米级定位模组及系统应用动态组网结构点号真实坐标(m)测量坐标(m)N方向误差(m)E方向误差(m)D点(26.01,

1.29)(26.03,

1.31)0.0230.024E点(43.57,

0.82)(43.55,

0.77)-0.025-0.055F点(43.57,

2.05)(43.55,

1.99)-0.018-0.066G点(60.06,

0.71)(60.07.

0.91)0.0380.105H点(59.54,