什么是 GNSS 杠杆臂,它在 GNSS/INS 传感器融合算法中有什么作用?

发布时间 2023-06-13 01:36:06作者: MKT-porter

https://base.xsens.com/s/article/The-GNSS-lever-arm-antenna-offset-and-its-role-in-the-GNSS-INS-sensor-fusion-algorithm?language=en_US

GNSS 杠杆臂设置考虑了 MTi(测量所有惯性数据的位置)与 GNSS 接收器天线位置之间的位移。将此信息提供给 MTi 将使传感器融合核心能够补偿这两个测量位置之间的动态差异。下图可视化了这些动态差异:

 

如图所示,MTi 位于系统的旋转中心,例如汽车、机器人或无人机。GNSS 天线安装在同一车辆上,与 MTi 的距离远大于 GNSS 接收器的测量精度。当车辆旋转时,MTi 保持在相同的全局位置并且仅经历旋转。相比之下,GNSS 天线除旋转外还经历线性位移。

向 MTi 提供此杠杆臂信息有两个主要原因:

    1. 知道这个确切的偏移量允许 MTi 的传感器融合核心转换 GNSS 接收器数据,使其与惯性测量数据的动态相匹配。不正确的杠杆臂设置会导致不确定的状态估计,进而会导致传感器融合算法的性能下降,例如位置、速度和方向的错误估计。以上图为例,它可以创建 MTi 根据 GNSS 数据“认为”车辆正在移动,而实际上它只是绕其轴旋转的情况。
    2. 将从 MTi 生成的位置输出数据中减去杠杆臂。因此,位置数据将指示 MTi 的位置,而不是 GNSS 天线的位置。

 

GNSS接收机的定位精度与GNSS杠杆臂有什么关系?

对这个问题的简短回答是,随着 GNSS 测量精度的提高,GNSS 杠杆臂变得更加重要。再次考虑上一段中用于可视化 GNSS 杠杆臂的图像。三个测量值之间的位移(“路径”)显然是由 GNSS 接收器确定的,因为它具有足够的测量精度。现在考虑相同的实验,但使用测量精度仅为 1 米(而不是 1 厘米)的 GNSS 接收器。三个连续的测量值不够准确,无法确定 GNSS 天线的路径。基于这三个测量结果和有限的测量精度,我们甚至不能肯定地说天线已经移动了。在这个情况下,

GNSS 杠杆臂的重要性不仅取决于 GNSS 测量的准确性;GNSS 杠杆臂的长度也有影响。考虑一艘大型海船,MTi-G-710 安装在船体中央,天线安装在桅杆顶部,高于 MTi 10 米。如果船只经历强烈的横摇和俯仰动态,那么安装在桅杆上的天线将经历线性位移,即使使用精度较低的 GNSS 接收器也可以观察到这种位移。在这种情况下,向滤波器提供 GNSS 杠杆臂信息可以提高 MTi 的性能。

目前,MTi-8 和 MTi-680(G) 是 MTi 产品组合中唯一支持这种杠杆臂设置的产品,因为它们具有厘米级的精确位置数据。MTi-7、MTi-670 和 MTi-G-710 的传感器融合核心假定 GNSS 天线的位置与 MTi 本身大致相同。

 

如何测量和存储 GNSS 杠杆臂?

GNSS 杠杆臂是用户在安装 MTi 后需要测量和存储的参数。它作为 XYZ 坐标向量存储在 MTi 的内存中,相对于 MTi 传感器框架的原点*。单位是米,但如果可能的话,应该用厘米级的精度来确定杠杆臂。

注意:GNSS 杠杆臂的默认值为 [0, 0, 0] (m)。这意味着默认情况下,MTi 假定 MTi 及其 GNSS 天线位于同一位置!

下图显示了 MTi 及其 GNSS 天线集成到汽车后如何测量 GNSS 杠杆臂的示例。XYZ 坐标应根据传感器坐标系进行测量,传感器坐标系已打印在 MTi 的侧面标签上。需要特别注意坐标的符号:即如果天线安装在 MTi 的右侧 ,则 Y 坐标应为负值。

该车辆的最终 GNSS 杠杆臂矢量为 [1.00, 0.50, 0.80] (m)。

 

可以使用 MT 管理器中的设备设置窗口或使用 setGnssLeverArm 低级通信命令设置和存储 GNSS 杠杆臂。

如果 MTi-8 或 MTi-680(G) 未与正在跟踪的物体对齐并且应用传感器对齐矩阵 (RotSensor) 对此进行补偿,请注意 GNSS 杠杆臂仍应根据MTi 侧面标签上印刷的原始传感器框架。GNSS 杠杆臂不受 RotSensor 矩阵的影响。

*MTi 原产地的确切位置可以在产品的 数据表中找到。


 

违反 GNSS 杠杆臂

GNSS 杠杆臂被认为是 静态 偏移,这意味着 MTi 的传感器融合核心假定相对距离(相对于 MTi 的传感器框架)不随时间变化。违反配置的杠杆臂参数,或为 MTi 提供不正确的杠杆臂参数,可能会导致 MTi 的位置、速度和方向数据输出降级。

当 MTi 及其 GNSS 天线安装在车辆或柔性(非刚性)物体上时,可能会在一定程度上违反 GNSS 杠杆臂。桌面测试期间也经常发生违规情况:例如,当出于测试目的将 MTi 连接到 PC 并将 GNSS 天线留在窗户附近以实现 GNSS 定位时。如果 MTi 本身移动或旋转,GNSS 杠杆臂将立即受到破坏。