地圖採集車的那些事 | 慣性導航

本文來自於高德技術微信公眾號（amap_tech）

一、背景

高精地圖、高精采集車，是做地圖和出行領域同學經常掛在嘴上的一些常用詞兒。但是，圈外的同學可能會問，到底什麼是高精？

高精是指 高精度定位，高精地圖是指包含豐富地理資訊資料、具有高精度座標的地圖。當然，高精采集車就是採集製作高精地圖資料的特種作業車。

有些好奇的小夥伴會打破砂鍋問到底，高精是怎麼實現的呢？怎樣才能叫高精度？

事實上，目前高精度的標準並不是很確定，但基本認為 釐米級以上的精度才能算是高精度。高精的實現，主要是靠各類感測器，其中最重要的就是高精度定位定向系統，包括衛星定位及慣性導航兩部分。

本文主要從硬體角度給大家介紹一些這方面的情況，以及在實際工作中對它的運用。

二、術語解釋

定位定向系統：POS系統（Position and Orientation System, POS），是指慣性導航+GNSS衛星導航組合的高精度位置與姿態測量系統，利用裝在載體上的衛星接收機精確測定空間位置，利用慣性測量裝置測定瞬間感測器姿態，透過精確時鐘將兩者結合起來，最後經過運算，獲取載體的速度和姿態、位置等資訊。

慣性導航系統：簡稱慣導，是以陀螺和加速度計為敏感器件的導航引數解算系統，根據陀螺/加速度計的輸出，建立導航座標系，解算出載體在導航座標系中的速度和位置。

IMU：慣性測量單元（Inertial Measurement Unit），是測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置。IMU是慣性導航系統的一部分。

**GNSS：**全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System），泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統，以及相關的增強系統，如美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）和日本的MSAS（多功能運輸衛星增強系統）等，還涵蓋在建和以後要建設的其他衛星導航系統。

備註：我們內部習慣把定位部分簡稱為慣導，實際不僅僅包含慣導裝置，是指包含整套軟硬體的定位定向系統。

三、高精度定位定向系統包括什麼

採集車上的高精度定位定向系統，一般主要由下面幾部分組成：

定位定向系統的構成

演算法過程

整個系統由硬體和配套的軟體及演算法組成，由於組合解算的演算法在業界有非常多的研究，各種方法和思路也是百花齊放，在高德內部有相關的同學做這方面的開發工作。因此，本文僅側重於硬體角度的介紹。

低精度、高精度定位系統的組成內容差不多，區別只是感測器（IMU、GNSS）的精度等級不同。

四、各感測器的作用和角色

1.GNSS

類似以前常說的GPS，但是隨著科技進步，我們們國家的北斗系統BD在精度和可靠性上也能匹敵GPS了，在實際運用中發揮著重要作用。

從幾十元的模組，到上萬元的高精GNSS板卡，定位原理基本一致，都是測量出已知位置的衛星到使用者接收機之間的距離，然後綜合多顆衛星的資料就可知道接收機的具體位置。衛星位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星曆中查出。

但是在訊雜比、頻段、星座數量、通道數、訊號捕獲跟蹤等能力上，高精度GNSS板卡顯著優於普通的GPS，例如手機一般僅支援GPS L1頻段的C/A碼，但是專業級的板卡基本都支援L1/L2/L5多頻段、多通道。

除了在實時定位精度上顯著優於普通模組，專業的GNSS板卡還可以進行後處理，精度達毫米級，這就是專業接收機板卡的價值所在。

業內主要的衛星接收機廠商包括國外的天寶Trimble、諾瓦泰Novatel、徠卡LeiCa、拓普康等，以及國內的北斗星通、華測、中海達、司南等。

GNSS在系統中的主要作用是獲取當前位置的絕對座標，優點是不存在位置誤差累積，缺點是更新頻率低，一般最高不超過10~50HZ。

2.IMU

事實上，IMU才是俗稱慣導的高精度定位定向系統的核心，價格上也反應了這一點：如某個近百萬元的裝置，衛星接收機部分僅佔數萬元，其餘大部分都是IMU費用。

從某種程度上講，選定位定姿系統，其實重點是選IMU，因為GNSS部分選型相對簡單直觀。

本文後面也主要以IMU為側重闡述物件。

IMU通常由三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀組成，加速度計檢測載體在座標系統中獨立三軸的加速度訊號，而陀螺儀檢測載體相對於座標系的角速度訊號，對這些訊號進行處理之後，便可解算出載體的姿態。

值得注意的是，IMU及慣性推算演算法提供的是一個相對的原始定位資訊，它的作用是測量相對於起點所運動的路線，所以它並不能提供你所在的具體位置的資訊。因此，它常常和GNSS一起使用，當在某些GNSS訊號微弱甚至缺失的地方時，IMU就可以發揮它的作用，可以讓載體持續獲得絕對位置姿態資訊。

IMU的更新頻率較高，一般可達幾百至1KHz。使用三個加速度值，透過兩次積分可獲得位移，以此實現位置定位，有角速度值積分可以獲取姿態資訊，結合在一起可獲得物體的實際狀態。

別看IMU這個技術說起來比較陌生，其實我們每天使用的手機，以及汽車、飛機，乃至宇宙飛船都會使用到IMU，區別在於材料、成本和精度。

根據不同的使用場景，對IMU的精度有不同的要求，精度高，也意味著成本高。我們們高精車，當然使用最高等級的。

IMU的價格和精度對比

3.里程計

標準的里程計一般外掛安裝在車輪上，內建一個旋轉編碼器，透過車輪帶動共同旋轉。作用是測量車輛移動的線性距離，並在衛星失鎖時幫助抑制漂移誤差。里程計的形式有多種多樣，除外掛旋轉編碼器外，磁柵式、霍爾式等等都有應用。

4.增強、輔助手段

主要是一些陸基和星基增強技術，包括RTK、RTD、PPK、PPP、DGPS、各種SBAS等，我們平時作業時很少會用到星基增強系統，主要用到的是陸基增強系統。高精采集一般採用事後差分解算處理的方法。

五、慣性導航是怎麼煉成的

前面已經說過，定位定向系統包含慣性導航，慣性導航的主要硬體是IMU，而IMU是由陀螺和加速度計兩大部分組成的。

1.陀螺儀

先看看陀螺是啥樣子？是的，就是下面這個東東。

這個陀螺和我們平時理解的慣性導航裝置內的角速度感測器有什麼關係？

從製作工藝和材料、原理上講，沒太大關係，是兩種不同的東西。但是這些東西，都可當作旋轉角速度感測器用，而這種類似機械陀螺形態的產品最先使用，先入為主了，所以後來把這種角速度感測器，都叫做陀螺儀。

事實上陀螺儀的種類很多，根據物理原理大體上可分為機械陀螺、鐳射陀螺和光纖陀螺、微機械（MEMS）陀螺等等。

機械陀螺儀：在早期的飛機曾大量使用。它體積大、結構複雜、精度差。後期有一些改進的型別，如：滾珠軸承自由陀螺儀、液浮陀螺儀等。

鐳射陀螺：利用薩格納克理論中的光程差來測量旋轉角速度。其要點是：當光束在一個環形的通道中前進時，如果環形通道本身具有一個轉動速度，那麼光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間、要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。

薩格納克實驗

這個薩格納克理論很有意思，感興趣的同學可以自行加深瞭解。

鐳射陀螺實際上是一種環形鐳射器。在閉合光路中，由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉角速度。當環形鐳射器處於靜止狀態時，兩束鐳射繞行一週的光程相等，因而頻率相同，兩個頻率之差(頻差)為零，干涉條紋為零。

當環形鐳射器繞垂直於閉合光路平面的軸轉動時，與轉動方向一致的那束光的光程延長，波長增大，頻率降低；另一束光則相反，因而出現頻差，形成干涉條紋。

鐳射陀螺沒有內部運動器件，資料漂移率低，可靠性高，測量精度高。由於光程差的關係，鐳射陀螺會有一定的速度門限，低於這個門限，可能會檢測不到角速度變化。另外，因為要使用環形鐳射器的緣故，整個器件體積大、成本高。

光纖陀螺：嚴格講也屬於鐳射陀螺，原理與鐳射陀螺儀一樣，只不過用光纖代替了環型鐳射器。光纖的成本低，但是易受溫度變化造成的熱脹冷縮不均以及纏繞時張力變化影響，故精度稍低。鐳射陀螺的光在諧振腔中傳播，受外界影響小，因此精度較高，但諧振腔成本昂貴。因為在成本、體積上更有優勢，所以光纖陀螺在實踐中獲得了大量運用。

微機械陀螺：即MEMS陀螺，是用半導體技術刻蝕出來的微型機械結構和CMOS電路技術相結合的產品。它的特色是體積小、成本低，便於大批次生產，廣泛應用於手機、行動式裝置和其他一些對效能要求不高的領域。此外，隨著技術進步，某些高階MEMS陀螺，精度已經可以媲美光纖陀螺了。

MEMS陀螺的原理是利用科里奧利力——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力來感測角速度。振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統，在這個系統中振動和轉動誘導的科里奧利力把正比於角速度的能量轉換到感測模式，並計算輸出。

2.加速度計

加速度計的作用是測量載體的加速度力，以確定載體在空間中的位置並監測起的運動，加速度是向量、是速度的變化率 。

加速度計的型別較多，從 材料上，有石英撓性、液浮加速度計和MEMS幾種。

按 感測元件分類，大體上又可以分為幾種型別：壓電式加速計、壓阻式加速計和電容式加速計，此外還有熱流式、諧振式。

壓電式加速度計利用壓電效應（壓電材料在受到物理應力時產生電）來感知加速度的變化。壓電加速度計最常用於振動和衝擊測量。壓阻式加速度計比壓電式加速度計靈敏度低得多，更適合於車輛碰撞試驗。壓阻式加速度計的電阻與施加在其上的壓力成比例。

最常用的加速度計是 電容式加速度計，它是利用電容的變化來確定物體的加速度。當感測器經歷加速度時，其電容板之間的距離隨著感測器膜片的移動而變化，從而探測出加速度值。

3.為什麼要做組合導航

實際應用中，單一的導航定位模式是很難滿足導航效能要求的，提高導航系統整體效能的有效途徑是採用組合導航技術，即用兩種或兩種以上的非相似導航系統對同一導航資訊作測量並解算，以形成量測值，從這些量測值中計算出各導航系統的誤差並校正。

例如陀螺儀測角速度，加速度測線性加速度。前者是慣性原理，後者是利用的力平衡原理。加速度計在較長時間的測量值是正確的，而在較短時間內由於訊號噪聲的存在，有誤差。陀螺儀在較短時間內則比較準確，而較長時間則會有與漂移而存有誤差。因此，需要兩者相互調整來確保訊號的正確。

又例如在整個系統中，IMU提供載體姿態，並可推算相對位置，其優點是更新頻率高，輸出連續，資料平穩，短期穩定性好，但缺點是存在誤差累積，精度隨時間而發散，長期穩定性差，因為位置資訊和姿態資訊是積分求得的。而GNSS衛星導航的優點是不存在位置誤差累積，長期穩定性好，缺點是更新頻率低，且訊號存在不連續的可能。

所以GNSS和IMU兩者可以實現互補，透過GNSS實現長時間絕對定位，在GNSS位置更新的間隙可以採取IMU進行推算定位，並利用GNSS修正誤差。

由於IMU和GNSS在效能上正好形成互補，因此採用這兩種裝置組合起來作為定位定向系統設計是業內公認的最佳方案。

六、IMU的主要引數

對於效能引數要求，需要從加速度計和陀螺儀兩個方面入手，相關的指標較多，一般主要是關注以下這些：

七、影響精度的誤差因素

慣性導航系統中，硬體部分對精度造成影響的主要是IMU效能好壞，其誤差源如下圖所示：

慣性導航誤差源

1.陀螺儀影響因素

作為慣性導航裝置上的核心感測器，陀螺儀的重要程度不言而喻。姿態推算資料很大程度上需要依賴角速度的資料質量，因此陀螺儀的精確性將直接影響解算的優劣程度，換句話說，最後IMU能否正確感知載體的姿態就是依靠陀螺儀的精度效能。

2.加速度計影響因素

在IMU中，加速度計對其的影響主要體現在加速度計的穩定性和精度兩個方面。其中加速度計的高精度是為保障後續資料處理的精確性，加速度計的穩定性則是直接影響IMU能否發揮出正常效能的關鍵因素之一。

3.溫度影響因素

感測器在溫度發生變化時，其精度會產生較大的差異，一般情況下，慣性器件的工作環境不可能是恆溫環境，尤其是陀螺的精度受到嚴重影響，因此溫度的影響不能忽略。

4.誤差處理

定位定向系統的誤差源很多，在慣性器件的硬體方面誤差一般分成兩類：系統性誤差和隨機誤差。系統性誤差本質就是能找到規律的誤差，所以可以實時補償掉，主要包括常值偏移、比例因子、安裝誤差等。

但是隨機誤差一般指噪聲，無法找到合適的關係函式去描述噪聲，所以很難處理。一般採用allan方差、時間序列分析法等手段對零點偏移的資料進行誤差建模分析，例如可以用卡爾曼濾波演算法減小隨機噪聲的影響。

八、怎麼選定位系統

設計高精采集系統的方案時，一個重要的事情就是慣性導航裝置的選取，因為它不僅關係到硬體成本，還關乎到最終產品的精度效能。具體選型時，主要任務之一是考察其中的IMU，無外乎要關注如下幾個方面，然後根據產品需求進行取捨。

• 感測器的各項指標引數是否滿足需求。
• 感測器的價格是否合理，供應鏈是否完善。
• 配套軟硬體的設計難度是否可以接受。
• 廠商的技術支援能力、配套服務是否良好。

這其中最主要的是第一項，也是先決條件，只有當技術效能滿足要求，才會去進行下一步的成本、商務方面的考量。

1.指標分析

我們還是從最重要的技術方面分析，介紹幾個在陀螺選型過程中比較關鍵的指標：

量程

量程是在選用感測器的時候要首先確定的，所選感測器用於什麼領域，一般對車載來說，陀螺選擇在300度/秒以內、加速度計在4G以內就可以了，其他的根據自己的使用場景做選擇，比如說機載的量程需要大一些，軌道交通上的可以更小。高精度的情況下，量程小一點對應的精度會高一些。

零偏及零偏穩定性

從原理上來講，陀螺儀上電或開始工作時會出現漂移，又分為 常值漂移和 隨機漂移兩種，其中常值漂移就叫零偏，也可稱為零漂，單位為°/h、°/s。透過獲取陀螺儀的零偏，我們就可以在後續使用中對其進行補償，但補償的是多次測量的均值，在補償後常值漂移在陀螺的輸出中還會有一部分殘餘，因此，就出現了陀螺測試中的零偏重複性指標，它表徵陀螺每次零偏的接近重複程度，零偏重複性好的陀螺經過標定補償後，殘餘的常值漂移比較小，可以達到更高的精度。

零偏穩定性則是計算一次通電過程中陀螺輸出資料的方差得到，計算方差時上面提到的常值漂移被扣除，因此零偏穩定性反映的是陀螺的隨機漂移指標，又稱隨機噪聲。

零偏及零偏穩定性，很大程度上反應了陀螺和加速度計的效能，長久以來它被視為慣性器件規格的關鍵指標。選型時應根據成本和精度要求，選擇合適的型號。

角度隨機遊走

當陀螺儀處於零輸入狀態時，輸出訊號為白噪聲和慢變隨機函式的疊加。漫變隨機函式可用來確定零偏和零偏穩定性指標。

陀螺隨機遊走所產生的姿態和速度長值誤差為零，但速度和姿態存在一定的震盪誤差，震盪幅值與陀螺漂移隨機遊走大小相關。隨機遊走會引起震盪幅值較大的位置誤差，但位置誤差均值並不隨時間線性增長，而是呈現隨機遊走過程。

隨機遊走反映了陀螺儀的研製水平，也反映了陀螺儀最小可檢測的角速率。

物理條件

（1）外形尺寸

評估外形尺寸主要需根據實際車輛安裝情況，選擇合適的尺寸，且需要IMU具有良好的環境適應性。對於IMU本體來說，其質心位置應儘量與IMU物理中心貼近。

（2）電氣及介面要求

常規的車輛供電為9-16V，選型應考慮其工作電壓範圍是否符合，否則需要增加電源轉換模組。此外，需考察是否有短路、過壓等自我保護功能。

介面方面，需明確介面型別和線纜形式，如USB/乙太網/串列埠等，資料速率與通訊形式是否匹配等，避免使用中出現資料中斷丟失等情況。

（3）環境要求

慣性感測器對溫度變化都很敏感，因此需注意其溫度漂移相關指標，對某些溫漂大的裝置，應注意安裝環境，並儘量提供穩定的工作環境溫度，例如加風扇/空調散熱，或是加溫裝置等。

此外，需注意IMU的防護等級，選擇車外或車內安裝，並做好相應的防水防塵措施。

（4）相關標準及規範要求

包括並不限於：

• 車載衛星導航裝置通用規範（GB/T 19392-2013）。
• 車載電子裝置可靠性測試標準（ISO 16750）。
• 道路車輛功能安全國際標準（ISO 26262 2018）。
• 道路車輛電氣及電子裝置的環境條件和試驗（GB/T 28046）。

2.注重測試

對於慣性導航裝置這類注重效能、功能單一的產品，需著重考察其實際表現，不能完全相信技術手冊中的指標，例如下面二款常用的大廠出品的主流裝置，可以看到引數差別不大，精度也都很高，實際表現如何呢？

Trimble POS LV 510標稱精度指標：

Novatel SPAN-CPT標稱精度指標：

其實一分錢一分貨，價格也自然代表了效能，POS LV510精度實際上大幅優於CPT，所以二者的應用場景也不同，510可以做高精采集，CPT只用來做更新或者ADAS採集。

另外不要被指標迷惑了，標稱的0.02米的精度，那是理想作業情況的結果。

除了看指標，還能怎麼選呢？

俗話說是騾子是馬，拉出來溜溜，這話放在選型上也適用，我們的辦法就是：實測。畢竟實踐是檢驗真理的唯一標準。

目前， 定位定向系統級測試方法主要有：實際運動試驗，軟體模擬測試，軟體-硬體結合的半物理實物模擬測試。這裡面，實際運動試驗顯然是最直觀真實的，我們通常採用跑車試驗來考察精度情況。

試驗階段一般分裝置準備、路線規劃、資料採集、資料分析幾個步驟。

裝置準備：做定位定向系統的精度評估，需要一個參考標準，這樣當行駛同樣的路線時，被測裝置的軌跡及姿態誤差情況才能夠得到準確的量化，實踐中往往是用一個等級很高的裝置作為基準，即真值，與被測裝置共同安裝在同一載體平臺上，採集同一路線的軌跡和載體姿態。

安裝時，含有IMU的部分需要牢固的安裝在平臺上，本體測量方向保持和車輛的前進、水平方向正交/平行，不可自由晃動；天線的安裝位置應保證無遮擋，收星狀態良好，附近無干擾源。必要的情況下需接入里程計。電源及資料線纜按照規定連線。

線路規劃：不同的場景對定位系統的需求會不一樣，但對我們來說，主要是道路資料採集，並且是全路況採集，這就不僅僅是高速路、鄉村道路這種衛星訊號良好、對慣性導航要求不高的路段，也包括城市普通路、環線、高架橋上下、停車場、普通國道等衛星訊號有遮蔽甚至中斷的場景，因此測試路段選擇，需儘可能全面，覆蓋這些場景。

除正常測試的場景要求外，因為慣導往往有初始化的需求，因此在測試線路的起點和終點，都應選擇開闊地、衛星訊號好的地方。

資料採集：資料採集相對簡單，遵守相關作業規範，按照規定線路採集被測裝置和真值裝置的資料即可。為保證可靠性和一致性並便於對比，往往是同一線路做多次往復採集。參考站方面，可以自行架設，也可以使用千尋等服務商的資料。

資料分析：跑車結束後，採集的慣導、GNSS原始資料，及參考站資料進入後處理軟體進行各項預處理、格式轉換、濾波、差分解算、融合、平滑處理等一系列過程後，輸出軌跡和姿態資料。

資料分析

可以選取多條軌跡，在平面位置、高程、航向角、翻滾俯仰角等指標上與真值裝置的輸出做對比，得出各種場景下的誤差範圍，據此分析被測裝置的效能，為選型做依據。

除了使用更高等級的裝置作為真值來檢驗被測裝置的精度外，也可以使用其他方法，例如，標定好的近景攝影測量採集系統+控制場的方法，來估算精度情況。

九、小結

本文從硬體角度大致介紹了定位定向系統中慣性導航裝置及其感測器的基本情況。實際上，這些感測器在應用中，仍有很多環節需要處理，才能夠達到終端使用者使用的狀態。像出廠前的環境試驗、老化、篩選、轉檯標定等等，也是十分重要的，而組合推算演算法更是關鍵，這些組合拳一整套都打下來，才有了高精。

對定位、慣性導航感興趣的同學，推薦閱讀 西工大秦永元、 嚴龔敏老師的系列書籍，寫的很系統。