针对GNSS/INS组合系统短期精度的误差传播模型与定量分析研究

Short-term accuracy of GNSS/INS system, which is different from the traditional absolute accuracy), represents the detailed variation of the navigation errors in one short time scale, it recently plays an important role in some certain applications (e.g., mobile mapping). Research on the error propagation model of GNSS/INS integration not only gives the theoretical explanation of the influence of error sources, but also guides the system design and algorithm optimization for precise surveying. The proposal will study the error propagation model and quantitative analysis specific for the short-term accuracy of GNSS/INS integration. It will use the mathematical methods, including INS error propagation theory and Laplace transform, to establish the error propagation model. The quantitative relationships between the short-term accuracy and error sources will be setup based on the error propagation analysis, which can be used to guide the precise surveying system design and the short-term accuracy to be optimized. Then the effect of the short-term accuracy is validated by mobile mapping based on LiDAR. The proposal will provide comprehensive theoretical support and practical guidance for the development and promotion of GNSS/INS integration in precise surveying applications.

GNSS/INS组合导航短期精度（相对于传统的绝对精度）表征短时间内导航误差的波动水平，其近几年来在某些特定应用（如移动测图）中的重要性日渐突出。开展组合导航误差传播模型研究既有助于从理论上解释各误差源对短期精度的定量影响，也可以指导组合导航精密测量应用的系统优化设计。本项目研究针对GNSS/INS组合导航短期精度的误差传播模型，采用INS误差传播方程和拉普拉斯变换等工具建立导航误差传播模型，进行误差传播分析；并在此基础上确立组合导航短期精度与各误差源的定量映射关系；据此对短期精度分析进行优化设计和定量验证；最后基于LiDAR移动测图应用进行短期精度分析的效果验证。GNSS/INS组合导航误差传播模型将为短期精度与误差源定量映射分析提供有力的理论支持和方法指导，促进GNSS/INS组合导航精密测量技术在以移动测图为代表的精密测量领域中的发展与应用。

GNSS/INS组合导航短期精度表征短时间内导航误差的波动水平，其近几年来在精密测量应用（如铁路轨道不平顺性测量）中的重要性日渐突出。开展组合导航精度影响因素分析既有利于从理论上解释各误差源对短期精度的影响，也可以指导组合导航精密测量应用的系统优化设计。因此，本项目针对GNSS/INS组合导航短期精度的评估方法、优化方法以及其在精密测量中的重要性等方面开展了相关研究。主要研究内容如下：.(A) 明确提出了不同时间尺度上相对精度的定义及函数表达（即给定时间尺度上导航误差相对变化的统计标准差），并提出了将Allan方差作为短期精度评估的一种方法。实测结果表明Allan方差可以有效表现出导航误差在不同时间簇的统计特性（如mm级）；.(B) 系统分析了GNSS和IMU误差参数对短期精度的影响及其优化方法：① 基于Kalman滤波增益对观测修正的调节分析了GNSS数据率对短期精度的影响，并提出了最优平滑提高基于低频GNSS的短期精度优化方法。实测结果表明增加GNSS数据率和最优平滑方法可以有效改善短期精度；② 基于简化INS误差传播和混合仿真方法分析和评估了IMU误差对短期精度的影响。混合仿真结果表明：IMU误差对短期精度的影响小于1 cm；IMU白噪声误差是组合导航短期精度的主要误差源，其ratio值为其他误差源的2倍以上；.(C) 理论验证了GNSS/INS短期精度的重要性，结合铁路轨道不平顺性的评价准则和组合导航相对精度的评估方法推导了满足不平顺性测量精度要求的理论阈值（即Allan偏差小于0.16 mm），同时提出了基于载体运动约束辅助的GNSS/INS组合导航方案以提升组合导航短期精度。实测结果表明：基于载体运动约束辅助的GNSS/INS组合导航方案可以实现0.13 mm的高程不平顺性检测。.GNSS/INS组合导航短期精度的理论研究为组合导航技术在精密测量应用中提供了有利的理论支持和方法指导。