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一、背景
高精地图、高精采集车，是做地图和出行畛域同学常常挂在嘴上的一些罕用词儿。然而，圈外的同学可能会问，到底什么是高精？
高精是指 高精度定位，高精地图是指蕴含丰盛地理信息数据、具备高精度坐标的地图。当然，高精采集车就是采集制作高精地图数据的特种作业车。
有些好奇的小伙伴会打破砂锅问到底，高精是怎么实现的呢？怎样才能叫高精度？
事实上，目前高精度的规范并不是很确定，但根本认为 厘米级以上 的精度能力算是高精度。高精的实现，次要是靠各类传感器，其中最重要的就是高精度定位定向零碎，包含卫星定位及惯性导航两局部。
本文次要从硬件角度给大家介绍一些这方面的状况，以及在理论工作中对它的使用。
二、术语解释
定位定向零碎：POS 零碎（Position and Orientation System, POS），是指惯性导航 +GNSS 卫星导航组合的高精度地位与姿势测量零碎，利用装在载体上的卫星接收机准确测定空间地位，利用惯性测量安装测定霎时传感器姿势，通过准确时钟将两者联合起来，最初通过运算，获取载体的速度和姿势、地位等信息。
惯性导航零碎：简称惯导，是以陀螺和加速度计为敏感器件的导航参数解算零碎，依据陀螺 / 加速度计的输入，建设导航坐标系，解算出载体在导航坐标系中的速度和地位。
IMU：惯性测量单元（Inertial Measurement Unit），是测量物体三轴姿势角 (或角速率) 以及加速度的安装。IMU 是惯性导航零碎的一部分。
GNSS：寰球导航卫星零碎（Global Navigation Satellite System），泛指所有的卫星导航系统，包含寰球的、区域的和加强的，如美国的 GPS、俄罗斯的 Glonass、欧洲的 Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相干的加强零碎，如美国的 WAAS（广域加强零碎）、欧洲的 EGNOS（欧洲静地导航重叠零碎）和日本的 MSAS（多功能运输卫星加强零碎）等，还涵盖在建和当前要建设的其余卫星导航系统。
备注：咱们外部习惯把定位局部简称为惯导，理论不仅仅蕴含惯导设施，是指蕴含整套软硬件的定位定向零碎。
三、高精度定位定向零碎包含什么
采集车上的高精度定位定向零碎，个别次要由上面几局部组成：
定位定向零碎的形成
算法过程
整个零碎由硬件和配套的软件及算法组成，因为组合解算的算法在业界有十分多的钻研，各种办法和思路也是百花齐放，在高德外部有相干的同学做这方面的开发工作。因而，本文仅侧重于硬件角度的介绍。
低精度、高精度定位系统的组成内容差不多，区别只是传感器（IMU、GNSS）的精度等级不同。
四、各传感器的作用和角色
1.GNSS
相似以前常说的 GPS，然而随着科技进步，咱们国家的北斗零碎 BD 在精度和可靠性上也能匹敌 GPS 了，在理论使用中施展着重要作用。
从几十元的模组，到上万元的高精 GNSS 板卡，定位原理基本一致，都是测量出已知地位的卫星到用户接收机之间的间隔，而后综合多颗卫星的数据就可晓得接收机的具体位置。卫星地位能够依据星载时钟所记录的工夫在卫星星历中查出。
然而在信噪比、频段、星座数量、通道数、信号捕捉跟踪等能力上，高精度 GNSS 板卡显著优于一般的 GPS，例如手机个别仅反对 GPS L1 频段的 C / A 码，然而专业级的板卡根本都反对 L1/L2/L5 多频段、多通道。
除了在实时定位精度上显著优于一般模组，业余的 GNSS 板卡还能够进行后处理，精度达毫米级，这就是业余接收机板卡的价值所在。
业内次要的卫星接收机厂商包含国外的天宝 Trimble、诺瓦泰 Novatel、徕卡 LeiCa、拓普康等，以及国内的北斗星通、华测、中海达、司南等。
GNSS 在零碎中的次要作用是获取以后地位的相对坐标，长处是不存在地位误差累积，毛病是更新频率低，个别最高不超过 10~50HZ。
2.IMU
事实上，IMU 才是俗称惯导的高精度定位定向零碎的外围，价格上也反馈了这一点：如某个近百万元的设施，卫星接收机局部仅占数万元，其余大部分都是 IMU 费用。
从某种程度上讲，选定位定姿零碎，其实重点是选 IMU，因为 GNSS 局部选型绝对简略直观。
本文前面也次要以 IMU 为偏重论述对象。
IMU 通常由三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪组成，加速度计检测载体在坐标零碎中独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体绝对于坐标系的角速度信号，对这些信号进行解决之后，便可解算出载体的姿势。
值得注意的是，IMU 及惯性推算算法提供的是一个绝对的原始定位信息，它的作用是测量绝对于终点所静止的路线，所以它并不能提供你所在的具体位置的信息。因而，它经常和 GNSS 一起应用，当在某些 GNSS 信号强劲甚至缺失的中央时，IMU 就能够施展它的作用，能够让载体继续取得相对地位姿势信息。
IMU 的更新频率较高，个别可达几百至 1KHz。应用三个加速度值，通过两次积分可取得位移，以此实现地位定位，有角速度值积分能够获取姿势信息，联合在一起可取得物体的理论状态。
别看 IMU 这个技术说起来比拟生疏，其实咱们每天应用的手机，以及汽车、飞机，乃至宇宙飞船都会应用到 IMU，区别在于资料、老本和精度。
依据不同的应用场景，对 IMU 的精度有不同的要求，精度高，也意味着老本高。咱们高精车，当然应用最高等级的。
IMU 的价格和精度比照
3. 里程计
规范的里程计个别外挂装置在车轮上，内置一个旋转编码器，通过车轮带动独特旋转。作用是测量车辆挪动的线性间隔，并在卫星失锁时帮忙克制漂移误差。里程计的模式有多种多样，除外挂旋转编码器外，磁栅式、霍尔式等等都有利用。
4. 加强、辅助伎俩
次要是一些陆基和星基加强技术，包含 RTK、RTD、PPK、PPP、DGPS、各种 SBAS 等，咱们平时作业时很少会用到星基加强零碎，次要用到的是陆基加强零碎。高精采集个别采纳预先差合成算解决的办法。
五、惯性导航是怎么炼成的
后面曾经说过，定位定向零碎蕴含惯性导航，惯性导航的次要硬件是 IMU，而 IMU 是由陀螺和加速度计两大部分组成的。
1. 陀螺仪
先看看陀螺是啥样子？是的，就是上面这个东东。
这个陀螺和咱们平时了解的惯性导航设施内的角速度传感器有什么关系？
从制作工艺和资料、原理上讲，没太大关系，是两种不同的货色。然而这些货色，都可当作旋转角速度传感器用，而这种相似机械陀螺状态的产品最先应用，先入为主了，所以起初把这种角速度传感器，都叫做陀螺仪。
事实上陀螺仪的品种很多，依据物理原理大体上可分为机械陀螺、激光陀螺和光纤陀螺、微机械（MEMS）陀螺等等。
机械陀螺仪：在晚期的飞机曾大量应用。它体积大、结构复杂、精度差。前期有一些改良的类型，如：滚珠轴承自在陀螺仪、液浮陀螺仪等。
激光陀螺：利用萨格纳克实践中的光程差来测量旋转角速度。其要点是：当光束在一个环形的通道中后退时，如果环形通道自身具备一个转动速度，那么光线沿着通道转动的方向后退所须要的工夫、要比沿着这个通道转动相同的方向后退所须要的工夫要多。
萨格纳克试验
这个萨格纳克实践很有意思，感兴趣的同学能够自行加深了解。
激光陀螺实际上是一种环形激光器。在闭合光路中，由同一光源收回的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干预，利用检测相位差或干预条纹的变动，就能够测出闭合光路旋转角速度。当环形激光器处于静止状态时，两束激光绕行一周的光程相等，因此频率雷同，两个频率之差 (频差) 为零，干预条纹为零。
当环形激光器绕垂直于闭合光路立体的轴转动时，与转动方向统一的那束光的光程缩短，波长增大，频率升高；另一束光则相同，因此呈现频差，造成干预条纹。
激光陀螺没有外部静止器件，数据漂移率低，可靠性高，测量精度高。因为光程差的关系，激光陀螺会有肯定的速度门限，低于这个门限，可能会检测不到角速度变动。另外，因为要应用环形激光器的缘故，整个器件体积大、老本高。
光纤陀螺：严格讲也属于激光陀螺，原理与激光陀螺仪一样，只不过用光纤代替了环型激光器。光纤的成本低，然而易受温度变动造成的热胀冷缩不均以及缠绕时张力变动影响，故精度稍低。激光陀螺的光在谐振腔中流传，受外界影响小，因而精度较高，但谐振腔老本低廉。因为在老本、体积上更有劣势，所以光纤陀螺在实践中取得了大量使用。
微机械陀螺：即 MEMS 陀螺，是用半导体技术刻蚀进去的微型机械构造和 CMOS 电路技术相结合的产品。它的特色是体积小、成本低，便于大批量生产，广泛应用于手机、便携式设施和其余一些对性能要求不高的畛域。此外，随着技术提高，某些高端 MEMS 陀螺，精度曾经能够媲美光纤陀螺了。
MEMS 陀螺的原理是利用科里奥利力——旋转物体在有径向静止时所受到的切向力来传感角速度。振动物体被柔软的弹性构造悬挂在基底之上。整体动力学零碎是二维弹性阻尼零碎，在这个零碎中振动和转动诱导的科里奥利力把反比于角速度的能量转换到传感模式，并计算输入。
2. 加速度计
加速度计的作用是测量载体的加速度力，以确定载体在空间中的地位并监测起的静止，加速度是矢量、是速度的变化率。
加速度计的类型较多，从 资料 上，有石英挠性、液浮加速度计和 MEMS 几种。
按 传感元件 分类，大体上又能够分为几种类型：压电式减速计、压阻式减速计和电容式减速计，此外还有热流式、谐振式。
压电式加速度计 利用压电效应（压电资料在受到物理应力时产生电）来感知加速度的变动。压电加速度计最罕用于振动和冲击测量。压阻式加速度计比压电式加速度计灵敏度低得多，更适宜于车辆碰撞试验。压阻式加速度计的电阻与施加在其上的压力成比例。
最罕用的加速度计是 电容式加速度计，它是利用电容的变动来确定物体的加速度。当传感器经验加速度时，其电容板之间的间隔随着传感器膜片的挪动而变动，从而探测出加速度值。
3. 为什么要做组合导航
理论利用中，繁多的导航定位模式是很难满足导航性能要求的，进步导航系统整体性能的有效途径是采纳组合导航技术，即用两种或两种以上的非类似导航系统对同一导航信息作测量并解算，以造成量测值，从这些量测值中计算出各导航系统的误差并校对。
例如陀螺仪测角速度，加速度测线性加速度。前者是惯性原理，后者是利用的力均衡原理。加速度计在较长时间的测量值是正确的，而在较短时间内因为信号噪声的存在，有误差。陀螺仪在较短时间内则比拟精确，而较长时间则会有与漂移而存有误差。因而，须要两者互相调整来确保信号的正确。
又例如在整个零碎中，IMU 提供载体姿势，并可推算绝对地位，其长处是更新频率高，输入间断，数据安稳，短期稳定性好，但毛病是存在误差累积，精度随工夫而发散，长期稳定性差，因为地位信息和姿势信息是积分求得的。而 GNSS 卫星导航的长处是不存在地位误差累积，长期稳定性好，毛病是更新频率低，且信号存在不间断的可能。
所以 GNSS 和 IMU 两者能够实现互补，通过 GNSS 实现长时间相对定位，在 GNSS 地位更新的间隙能够采取 IMU 进行推算定位，并利用 GNSS 修改误差。
因为 IMU 和 GNSS 在性能上正好造成互补，因而采纳这两种设施组合起来作为定位定向零碎设计是业内公认的最佳计划。
六、IMU 的主要参数
对于性能参数要求，须要从加速度计和陀螺仪两个方面动手，相干的指标较多，个别次要是关注以下这些：
七、影响精度的误差因素
惯性导航零碎中，硬件局部对精度造成影响的次要是 IMU 性能好坏，其误差源如下图所示：
惯性导航误差源
1. 陀螺仪影响因素
作为惯性导航设施上的外围传感器，陀螺仪的重要水平显而易见。姿势推算数据很大水平上须要依赖角速度的数据品质，因而陀螺仪的精确性将间接影响解算的优劣水平，换句话说，最初 IMU 是否正确感知载体的姿势就是依附陀螺仪的精度性能。
2. 加速度计影响因素
在 IMU 中，加速度计对其的影响次要体现在加速度计的稳定性和精度两个方面。其中加速度计的高精度是为保障后续数据处理的精确性，加速度计的稳定性则是间接影响 IMU 是否施展出失常性能的关键因素之一。
3. 温度影响因素
传感器在温度发生变化时，其精度会产生较大的差别，个别状况下，惯性器件的工作环境不可能是恒温环境，尤其是陀螺的精度受到重大影响，因而温度的影响不能疏忽。
4. 误差解决
定位定向零碎的误差源很多，在惯性器件的硬件方面误差个别分成两类：系统性误差和随机误差。系统性误差实质就是能找到法则的误差，所以能够实时弥补掉，次要包含常值偏移、比例因子、装置误差等。
然而随机误差个别指噪声，无奈找到适合的关系函数去形容噪声，所以很难解决。个别采纳 allan 方差、工夫序列分析法等伎俩对零点偏移的数据进行误差建模剖析，例如能够用卡尔曼滤波算法减小随机噪声的影响。
八、怎么选定位系统
设计高精采集零碎的计划时，一个重要的事件就是惯性导航设施的选取，因为它不仅关系到硬件老本，还关乎到最终产品的精度性能。具体选型时，次要工作之一是考查其中的 IMU，无外乎要关注如下几个方面，而后依据产品需要进行取舍。
- 传感器的各项指标参数是否满足需要。
- 传感器的价格是否正当，供应链是否欠缺。
- 配套软硬件的设计难度是否能够承受。
- 厂商的技术支持能力、配套服务是否良好。
这其中最次要的是第一项，也是先决条件，只有当技术性能满足要求，才会去进行下一步的老本、商务方面的考量。
1. 指标剖析
咱们还是从最重要的技术方面剖析，介绍几个在陀螺选型过程中比拟要害的指标：
量程
量程是在选用传感器的时候要首先确定的，所选传感器用于什么畛域，个别对车载来说，陀螺抉择在 300 度 / 秒以内、加速度计在 4G 以内就能够了，其余的依据本人的应用场景做抉择，比如说机载的量程须要大一些，轨道交通上的能够更小。高精度的状况下，量程小一点对应的精度会高一些。
零偏及零偏稳定性
从原理上来讲，陀螺仪上电或开始工作时会呈现漂移，又分为 常值漂移 和随机漂移 两种，其中常值漂移就叫零偏，也可称为零漂，单位为°/h、°/s。通过获取陀螺仪的零偏，咱们就能够在后续应用中对其进行弥补，但弥补的是屡次测量的均值，在弥补后常值漂移在陀螺的输入中还会有一部分残余，因而，就呈现了陀螺测试中的零偏重复性指标，它表征陀螺每次零偏的靠近反复水平，零偏重复性好的陀螺通过标定弥补后，残余的常值漂移比拟小，能够达到更高的精度。
零偏稳定性则是计算一次通电过程中陀螺输入数据的方差失去，计算方差时下面提到的常值漂移被扣除，因而零偏稳定性反映的是陀螺的随机漂移指标，又称随机噪声。
零偏及零偏稳定性，很大水平上反馈了陀螺和加速度计的性能，长久以来它被视为惯性器件规格的要害指标。选型时应依据老本和精度要求，抉择适合的型号。
角度随机游走
当陀螺仪处于零输出状态时，输入信号为白噪声和慢变随机函数的叠加。漫变随机函数可用来确定零偏和零偏稳定性指标。
陀螺随机游走所产生的姿势和速度长值误差为零，但速度和姿势存在肯定的震荡误差，震荡幅值与陀螺漂移随机游走大小相干。随机游走会引起震荡幅值较大的地位误差，但地位误差均值并不随工夫线性增长，而是出现随机游走过程。
随机游走反映了陀螺仪的研制程度，也反映了陀螺仪最小可检测的角速率。
物理条件
（1）外形尺寸
评估外形尺寸次要需依据理论车辆装置状况，抉择适合的尺寸，且须要 IMU 具备良好的环境适应性。对于 IMU 本体来说，其质心地位应尽量与 IMU 物理核心贴近。
（2）电气及接口要求
惯例的车辆供电为 9 -16V，选型应思考其工作电压范畴是否合乎，否则须要减少电源转换模块。此外，需考查是否有短路、过压等自我爱护性能。
接口方面，需明确接口类型和线缆模式，如 USB/ 以太网 / 串口等，数据速率与通信模式是否匹配等，防止应用中呈现数据中断失落等状况。
（3）环境要求
惯性传感器对温度变动都很敏感，因而需注意其温度漂移相干指标，对某些温漂大的设施，应留神装置环境，并尽量提供稳固的工作环境温度，例如加风扇 / 空调散热，或是加温安装等。
此外，需注意 IMU 的防护等级，抉择车外或车内装置，并做好相应的防水防尘措施。
（4）相干规范及标准要求
包含并不限于：
- 车载卫星导航设施通用标准（GB/T 19392-2013）。
- 车载电子设备可靠性测试规范（ISO 16750）。
- 路线车辆性能平安国际标准（ISO 26262 2018）。
- 路线车辆电气及电子设备的环境条件和试验（GB/T 28046）。
2. 重视测试
对于惯性导航设施这类重视性能、性能繁多的产品，需着重考查其理论体现，不能齐全置信技术手册中的指标，例如上面二款罕用的大厂出品的支流设施，能够看到参数差异不大，精度也都很高，理论体现如何呢？
Trimble POS LV 510 标称精度指标：
Novatel SPAN-CPT 标称精度指标：
其实一分钱一分货，价格也天然代表了性能，POS LV510 精度实际上大幅优于 CPT，所以二者的利用场景也不同，510 能够做高精采集，CPT 只用来做更新或者 ADAS 采集。
另外不要被指标蛊惑了，标称的 0.02 米的精度，那是现实作业状况的后果。
除了看指标，还能怎么选呢？
俗话说是骡子是马，拉进去溜溜，这话放在选型上也实用，咱们的方法就是：实测。毕竟实际是测验真谛的唯一标准。
目前，定位定向零碎级测试方法次要有：理论静止试验，软件仿真测试，软件 - 硬件联合的半物理实物仿真测试。这外面，理论静止试验显然是最直观实在的，咱们通常采纳跑车试验来考查精度状况。
试验阶段个别分设施筹备、路线布局、数据采集、数据分析几个步骤。
设施筹备：做定位定向零碎的精度评估，须要一个参考规范，这样当行驶同样的路线时，被测设施的轨迹及姿势误差状况才可能失去精确的量化，实际中往往是用一个等级很高的设施作为基准，即真值，与被测设施独特装置在同一载体平台上，采集同一路线的轨迹和载体姿势。
装置时，含有 IMU 的局部须要牢固的装置在平台上，本体测量方向放弃和车辆的后退、程度方向正交 / 平行，不可自在晃动；天线的装置地位应保障无遮挡，收星状态良好，左近无干扰源。必要的状况下需接入里程计。电源及数据线缆依照规定连贯。
线路布局：不同的场景对定位系统的需要会不一样，但对咱们来说，次要是路线数据采集，并且是全路况采集，这就不仅仅是高速路、农村路线这种卫星信号良好、对惯性导航要求不高的路段，也包含城市一般路、环线、高架桥高低、停车场、一般国道等卫星信号有遮蔽甚至中断的场景，因而测试路段抉择，需尽可能全面，笼罩这些场景。
除失常测试的场景要求外，因为惯导往往有初始化的需要，因而在测试线路的终点和起点，都应抉择开阔地、卫星信号好的中央。
数据采集：数据采集绝对简略，恪守相干作业标准，依照规定线路采集被测设施和真值设施的数据即可。为保障可靠性和一致性并便于比照，往往是同一线路做屡次往返采集。参考站方面，能够自行架设，也能够应用千寻等服务商的数据。
数据分析：跑车完结后，采集的惯导、GNSS 原始数据，及参考站数据进入后处理软件进行各项预处理、格局转换、滤波、差合成算、交融、平滑解决等一系列过程后，输入轨迹和姿势数据。
数据分析
能够选取多条轨迹，在立体地位、高程、航向角、翻滚俯仰角等指标上与真值设施的输入做比照，得出各种场景下的误差范畴，据此剖析被测设施的性能，为选型做根据。
除了应用更高等级的设施作为真值来测验被测设施的精度外，也能够应用其余办法，例如，标定好的远景摄影测量采集零碎 + 管制场的办法，来估算精度状况。
九、小结
本文从硬件角度大抵介绍了定位定向零碎中惯性导航设施及其传感器的根本状况。实际上，这些传感器在利用中，仍有很多环节须要解决，才可能达到最终用户应用的状态。像出厂前的环境试验、老化、筛选、转台标定等等，也是非常重要的，而组合推算算法更是要害，这些组合拳一整套都打下来，才有了高精。
对定位、惯性导航感兴趣的同学，举荐浏览 西工大秦永元 、 严龚敏 老师的系列书籍，写的很零碎。