当谈到精确地测量位置时,不同的方法有不同的优点和缺点。这就是为什么 OxTS 在我们非常成功的系统中结合惯性测量和 GNSS 测量创建一个准确可靠的测量平台的原因。这种双技术方法利用每种技术的各自优势,使我们的用户能够在通常情况下难以进行测试的环境中继续进行测量。
然而,还有第三层技术,也是比较少人知道的,可以应用于 OxTS RT、Survey 、Inertial 或 xNAV 测量的数据,在真正具有挑战性的情况下进一步提高其精度。它被称为组合处理或向前/向后处理,在后处理过程中应用。为了了解向前/向后处理的工作原理,有必要认识惯性技术和 GNSS 技术的优点和缺点,以及为什么它们结合在一起时能提供如此强大的解决方案。
图 1 清楚地说明了这一点,其显示了车辆通过长长的隧道时每种技术测量的路径。当车辆进入 GNSS 黑区(黑色/黄色条纹)时,信号就消失了。从图像的左侧工作:
图 1.通过隧道时不同技术测量的路径
- 实际路径: 红线表示车辆所走的路径,包括为避开障碍物而转弯。这就是我们要捕获的路径。
- GNSS 专用路径:红线显示的是 GNSS 接收器认为汽车经过的路径。接收器在进入隧道时失去了 GNSS 锁定,在离开隧道后不久又重新获得了 GNSS 锁定。虽然有可能 "连点成线"并填入路径,但对于大多数用户而言,这并不是一个可以接受的解决方案,因为它完全失去了转弯的操控性。
- 惯性路径:为了说明问题,从图像的顶部开始对该路径进行了夸张的恒定漂移。请注意,在没有 GNSS 修正的情况下,隧道入口处的位置与实际路径相比已经偏离了。虽然这种特性是不可取的,但好处是惯性传感器能准确地捕捉到车道变化的动态,但由于累积的漂移,无法精确地确定位置。
- Inertial GNSS 路径:这是您的 OxTS 系统看东西的方式。值得注意的是,当车辆进入隧道时,位置是正确的,因为 GNSS 测量可以防止系统中出现任何漂移。最重要的是,这提高了从隧道入口到转弯操纵的位置精度,因为累积的漂移较少。这一点在转弯的顶点可以看到,即使与前面的例子一样采用了夸张的漂移。当汽车离开隧道,GNSS 被要求锁定时,系统的位置精度再次提高,任何累积的漂移都会被修正。在重新获取时,您的设备有可能会自动回到正确的位置,或者像这里所示的那样平稳过渡。
虽然 GNSS 辅助惯性解决方案显然是最理想的选择,因为它仍能捕捉到隧道或 GNSS 接收不良地区的活动,但如果使用向前/向后处理,它还可以进一步增强。请记住,GNSS 信号不需要完全被阻断就能产生不可靠的数据。
在前面的例子中,数据是按向前处理,也就是按实时接收的顺序来考虑。向前/向后处理最初的工作方式是一样的(向前部分),但由于它是在后处理环境中工作,所以也可以选择向后读取数据。仅从 GNSS 的角度来看,向后处理没有任何好处,因为在停电期间无法学习到任何新的东西。
在仅有惯性系统的情况下,向后运行数据有一定的好处,因为任何漂移误差都会以不同的方式累积。想象一下,一艘船在侧风中航行。在向外航行的过程中,它是直行的,但被吹偏了航道,到达目的地的左边。在回程中,它再次直行,但这一次被吹到了它的母港的右边。知道了这一点就知道了风向,这就类似于仅惯性系统中的漂移。
对两端的惯性数据进行处理,使用向前/向后处理,其工作原理类似。即使只进行了一个行程,但它为同一个问题提供了两个不同的解决方案。然后,这些解决方案可以用来生成关于整个系统的额外信息。与船舶从一个已知地点航行到另一个已知地点不同的是,仅惯性系统并不知道它的确切起点和终点在哪里。
这就是为什么 OxTS 系统同时使用 GNSS 和惯性技术的原因,所以它们确实知道自己在哪里。GNSS 信号丢失和重新获取的点,就成为系统移动的两个已知点。而与船舶不同的是,OxTS INS/GNSS 系统内部有一个高精度的惯性传感器,可以捕捉到这两个点之间的每一个移动。
图 2. 通过隧道时不同处理技术计算的路径
虽然向前/向后处理并不是用一种解决方案来抵消另一种方案那么简单,但这就是基本原理。图 2 显示了与图 1 相同的场景,但从上图中可以看到。红色的圆圈代表 GNSS 信号丢失和重新获取的点,我们感兴趣的是这两者之间的区域。从上往下工作:
- 向前处理的惯性路径:这就是图 1 中标注为"惯性 GNSS"的路径。它显示了 OxTS 系统根据实时接收到的数据认为它所走的路径,这与向前处理相同。没有 GNSS 修正意味着漂移(为说明问题而夸大)开始在系统中积累,当 GNSS 再次实现锁定时,系统并不完全在它认为的位置。
- 向后处理的惯性路径:在实时环境下,系统利用惯性数据计算出自己走过的路径。这就是向前处理的路径。在后处理环境中,同样的数据可以从一个已知位置向后送入系统。在这种情况下,已知位置是在隧道出口处重新建立 GNSS 测量的位置。后处理导航系统不知道数据是按反向顺序提供的,只需根据给定的输入测量值计算出一个路径。然而,负责以反向顺序发送数据的算法知道计算出的路径应该来自于 GNSS 测量重新建立的点,并将其转换为正确的位置。这并不能阻止系统在没有 GNSS 修正的情况下发生漂移,但它确实意味着任何漂移都会在路径的另一端累积。
- 向前/向后路径叠加:一旦从 GNSS 信号丢失点向前计算出一条路径,再从 GNSS 测量点向后计算出一条路径,就可以将两条路径叠加在一起。通过这种方式,可以将向前路径(白色)和向后路径(黑色)中的最佳数据结合起来,形成向前/向后路径(灰色),您可以看到与车辆实际走过的真实路径叠加。
值得注意的是,我们只从横向角度和极端条件下强调了向前/向后处理的好处。然而,该过程也适用于三维框架,在俯仰、横滚和偏航测量方面也有显著改善。虽然在 GNSS 信号丢失的短时间内没有必要使用向前/向后处理,但它仍然会以同样的方式增强数据。
如果您想进一步了解关于向前/向后处理或任何 OxTS 产品或技术的信息,请直接联系 OxTS 或您的区域经销商。详情请访问我们的网站:www.oxts.com。