基于北斗多模RTK与IMU融合的无人飞行器位姿检测方法与流程

本发明属于无人飞行器机载测试与导航测量，具体涉及一种基于北斗多模rtk与imu融合、并采用机载独立参考测量组件布置的无人飞行器位姿检测方法。

背景技术：

1、随着无人飞行器逐步应用于巡检、运输、测绘和特种作业等场景，在样机研发、系统联调、性能验收及运行维护过程中，需要对无人飞行器导航单元输出的位置、俯仰角、横滚角和航向角等位姿参数进行动态检测。无人飞行器的导航单元、gnss天线、惯性测量器件及数据采集设备通常布置于有限的机载空间内，飞行振动、机体形变以及不同机载器件之间的安装基准差异均可能引入附加测量误差。由于被测无人飞行器自身的导航输出不能同时作为被评价数据和外部参考数据，实际测试需要在机体上配置与被测导航链相互独立的参考测量链，并保证参考测量组件相对于机体及被测导航单元具有稳定、可校准的几何安装关系。

2、工程测试中，rtk能够在卫星信号条件较好且差分固定解稳定时提供较高精度的位置参考，并可结合双天线配置获得姿态参考，因此适合作为无人飞行器动态位姿检测的外部参考来源。但是，无人飞行器在实际场地连续运动时，树木遮挡、建筑物遮挡、多路径效应、卫星几何条件变化以及差分通信质量变化均可能使rtk出现载波相位模糊度失锁、差分固定解失效或者参考位姿数据中断。rtk参考数据一旦在动态过程中出现缺口，位姿误差计算就会形成无法直接评价的时间区间。

3、在实际测试处理中，若直接删除rtk失效期间的数据，最终结果容易更多反映卫星条件良好区段，难以覆盖发生遮挡或失锁时的连续运动过程；若在rtk失效期间仅采用简单插值或者基于imu进行单向递推补点，所得参考轨迹又会受到失效前初始状态、imu零偏及积分误差累积的影响，并且rtk恢复后的有效参考信息不能充分参与失效区间内部状态的约束。当被测导航误差接近允许限值时，不同的可行参考轨迹还可能对应不同的合格性结论，单纯采用一条补全轨迹作为唯一参考容易掩盖参考测量本身的不确定性。

4、此外，rtk设备、参考imu以及双gnss天线与参考imu之间的安装关系均具有相应的测量或者校准不确定度。设备在实验室校准状态与动态检测现场的安装状态、卫星环境和传感器工作状态也可能存在差异。如果参考测量链的不确定性没有随现场状态进入失效区间的参考约束，或者某一测量分量发生劣化后无差别放宽全部参考条件，均可能影响检测结果的客观性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于北斗多模rtk与imu融合的无人飞行器位姿检测方法，通过在无人飞行器机体上设置与被测导航链相互独立且具有固定几何安装关系的机载参考测量组件，在保持参考测量链机载布置稳定性的基础上，对rtk有效区间和失效区间内的无人飞行器位姿精度进行连续检测，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于北斗多模rtk与imu融合的无人飞行器位姿检测方法，包括：

3、在被测无人飞行器机体上设置机载参考测量组件和同步数据采集终端，机载参考测量组件包括沿无人飞行器机体预设基线方向间隔设置的双gnss天线和与双gnss天线保持固定几何关系的参考imu；机载参考测量组件通过刚性安装基座与无人飞行器机体固定连接，参考imu与被测无人飞行器的导航单元采用相互独立的数据传输链路，以使参考测量链在机载安装、数据传输和测量基准方面独立于被测导航链。

4、s1、获取时间对应的北斗多模rtk系统输出的rtk参考位姿数据、参考imu输出的参考imu观测数据和被测无人飞行器的导航单元输出的导航位姿输出数据，以及所述rtk参考位姿数据和参考imu观测数据的测量不确定度，根据所述rtk参考位姿数据的有效状态划分rtk有效区间和rtk失效区间；

5、s2、对于所述rtk失效区间，以失效前、恢复后的有效rtk参考位姿数据及其测量不确定度限定两端参考位姿，以所述rtk失效区间内的参考imu观测数据及其测量不确定度限定相邻采样时刻的位姿变化，由同时满足两端参考位姿约束和相邻位姿变化约束的参考位姿序列构成参考轨迹可行集合；

6、s3、将所述参考轨迹可行集合中的每一参考位姿序列分别与所述rtk失效区间内时间对应的导航位姿输出序列比较，获得位置误差评价指标和三轴姿态误差评价指标，并分别与对应允许限值比较；

7、s4、若全部参考位姿序列对应的各误差评价指标均不超过对应允许限值，则确定所述rtk失效区间满足位姿精度要求；若全部参考位姿序列均存在至少一项误差评价指标超过对应允许限值，则确定所述rtk失效区间不满足位姿精度要求；否则，确定所述rtk失效区间基于当前参考数据不能确定是否满足位姿精度要求；

8、s5、对于所述rtk有效区间，以有效rtk参考位姿数据与时间对应的导航位姿输出数据比较得到位姿误差评价结果，并结合各rtk失效区间的判断结果形成所述被测无人飞行器的位姿检测结果。

9、作为本发明进一步的技术方案，所述机载参考测量组件通过刚性安装基座固定于被测无人飞行器机体，双gnss天线分别设置于刚性安装基座的两侧并形成固定基线，参考imu设置于刚性安装基座上并与双gnss天线保持固定杆臂关系；双gnss天线与rtk流动站连接，同步数据采集终端设置于被测无人飞行器机体并分别与rtk流动站、参考imu和被测无人飞行器的导航单元连接，分别获取rtk参考位姿数据、参考imu观测数据和导航位姿输出数据，且参考imu与导航单元采用相互独立的数据传输链路。

10、作为本发明进一步的技术方案，以所述rtk参考位姿数据和导航位姿输出数据统一表达的坐标系作为导航参考坐标系，建立固定于所述参考测量组件的参考测量组件载体坐标系；对所述双gnss天线的基线关系以及所述参考imu坐标系相对于所述参考测量组件载体坐标系的固定刚性变换关系进行校准，获得对应的校准不确定度；将所述校准不确定度与所述rtk参考位姿数据和参考imu观测数据的测量不确定度共同用于确定所述两端参考位姿约束和相邻位姿变化约束。

11、作为本发明进一步的技术方案，根据rtk载波相位模糊度状态和差分固定解状态确定所述rtk失效区间的边界，以失锁或者差分固定解失效前最后一个差分固定解有效采样时刻的rtk参考位姿数据确定失效前端参考位姿约束，以重新锁定且差分固定解恢复后第一个有效采样时刻的rtk参考位姿数据确定恢复后端参考位姿约束；将所述rtk失效区间内的参考imu观测数据按照所述固定刚性变换关系转换至所述参考测量组件载体坐标系，并在参考状态传播过程中根据当前参考姿态确定所述参考测量组件载体坐标系相对于所述导航参考坐标系的姿态变换关系，以确定所述相邻位姿变化约束。

12、作为本发明进一步的技术方案，构建所述参考轨迹可行集合时，从所述失效前端参考位姿约束内确定初始参考位姿，按照各相邻采样时刻的位姿变化约束连续确定后续参考位姿；仅将连续至恢复后端且末端参考位姿满足所述恢复后端参考位姿约束的参考位姿序列纳入所述参考轨迹可行集合。

13、作为本发明进一步的技术方案，针对所述参考轨迹可行集合中的每一参考位姿序列，采用同一参考位姿序列与所述导航位姿输出序列比较，分别计算水平位置、垂直位置、俯仰角、横滚角和航向角的均方根误差，并将所得五项均方根误差分别与对应允许限值比较，共同确定该参考位姿序列是否满足位姿精度要求。

14、作为本发明进一步的技术方案，当所述参考轨迹可行集合中的每一参考位姿序列对应的五项均方根误差均不超过对应允许限值时，确定所述rtk失效区间满足位姿精度要求；当每一参考位姿序列均存在至少一项超过对应允许限值的均方根误差时，确定所述rtk失效区间不满足位姿精度要求；其余情况下，确定所述rtk失效区间基于当前参考数据不能确定是否满足位姿精度要求。

15、作为本发明进一步的技术方案，当所述rtk失效区间基于当前参考数据不能确定是否满足位姿精度要求时，从所述参考轨迹可行集合中分别确定五项均方根误差均不超过对应允许限值的第一参考位姿序列，以及至少一项均方根误差超过对应允许限值的第二参考位姿序列，并将所述第一参考位姿序列、第二参考位姿序列及其五项均方根误差与所述位姿检测结果关联输出。

16、作为本发明进一步的技术方案，在动态检测前使所述被测无人飞行器保持静止并同步获取rtk参考位姿数据和参考imu观测数据；分别确定rtk参考位姿数据各位置和姿态分量相对于静态均值的现场残差、参考imu各角速度分量相对于静态参考角速度的现场残差，以及各比力分量相对于静态参考比力的现场残差，所述静态参考角速度根据是否计入地球自转影响确定，所述静态参考比力根据rtk参考姿态、当地重力加速度和所述固定刚性变换关系确定；针对每一数据分量，将对应校准标准不确定度与现场残差中的较大者作为现场修正标准不确定度，并按照预设覆盖因子形成现场约束不确定度界，分别用于修正所述两端参考位姿约束和相邻位姿变化约束。

17、作为本发明进一步的技术方案，将现场残差大于对应校准标准不确定度的数据分量确定为现场劣化分量；对于属于rtk参考位姿数据的现场劣化分量，仅以该现场劣化分量对应的现场约束不确定度界更新所述两端参考位姿约束中实际受该分量影响的位置或者姿态分量约束，对于属于参考imu观测数据的现场劣化分量，仅以该现场劣化分量对应的现场约束不确定度界更新所述相邻位姿变化约束中实际受该分量影响的状态变化约束；保持其他数据分量约束、所述导航位姿输出数据和允许限值不变，根据更新后的约束重新确定所述参考轨迹可行集合和所述rtk失效区间的位姿精度评价结果。

18、本发明的有益效果如下：

19、1、本发明将双gnss天线、参考imu及同步数据采集终端以相互确定的机载安装关系设置于被测无人飞行器，其中双gnss天线形成固定定向基线，参考imu与双gnss天线保持固定杆臂关系，且参考imu与被测导航单元采用相互独立的数据传输链路，使参考测量链在飞行过程中能够与无人飞行器共同运动并保持可校准的几何基准；在此基础上，根据rtk参考位姿数据的有效状态区分rtk有效区间和rtk失效区间，并在rtk失效区间利用失效前、恢复后的有效rtk参考位姿及其测量不确定度限定两端参考位姿，同时利用独立参考imu观测数据及其测量不确定度限定相邻采样时刻的位姿变化，从而形成连续且受边界约束的机载检测参考。

20、2、本发明不从参考轨迹可行集合中强制选取单一参考轨迹，而是采用同一参考位姿序列分别计算位置和三轴姿态误差，并根据全部可行参考位姿序列的评价结果将rtk失效区间确定为满足、不满足或者基于当前参考数据不能确定，能够将参考测量的不确定性继续传递至最终检测结论，减少在参考信息不足时强制作出确定性合格或不合格判断造成的评价偏差，并便于对不能确定的区间进行复核或复测。

21、3、本发明在动态检测前利用静态采集数据确定rtk和参考imu各数据分量的现场残差，并结合对应校准标准不确定度形成现场修正标准不确定度，并按照预设覆盖因子形成现场约束不确定度界；当存在现场劣化分量时，仅更新该分量实际影响的两端参考位姿约束或者相邻位姿变化约束，其他数据分量约束、被测导航位姿输出数据和允许限值保持不变，从而能够使参考轨迹可行范围随现场参考测量链状态进行针对性调整，并保持被测数据与参考测量数据之间的独立性和检测结果的可追溯性。