使用 MicroStrain 3DM-CV7-INS 对 MIP 与 NMEA 辅助信息进行分析

      简介：

      3DM-CV7-INS 是 MicroStrain by HBK 最新推出的可嵌入式战术级惯性导航系统。3DMCV7-INS 可处理来自外部 GNSS 接收机的数据，生成完整的位置、速度和姿态 (PVA) 解决方案，能够承受 GNSS 中断时间。可通过以下方式向 3DM-CV7-INS 提供外部 GNSS 信息：

        • 行业标准 NMEA 格式。

        • 通过辅助命令集使用 MicroStrain 的二进制数据包协议 (MIP)。

      鉴于 3DM-CV7-INS 可以通过两种方式接受 GNSS 数据，有人可能会问：我应该选择哪种方式？一种比另一种更好吗？本文将提供两种方法的实施教程，并比较它们的静态定位性能。

      实验设置：

      3DM-CV7-INS 被配置为接收来自 uBlox F9P 的 NMEA 输入，uBlox F9P 具有来自 VT CORS（佛蒙特州 CORS 网络）基站的连续 RTK 定位。uBlox 模块与屋顶上的 Novatel VEXXIS 800 系列天线相连，与 3DM-CV7-INS 相连，并放置在桌面上。数据静态采集 60 分钟，尽量减少干扰。数据在开始和结束时被剪切 60 秒，以消除可能发生的任何运动。

      利用相同的 VT CORS 基准站和屋顶天线，用 SensorCloudRTK 提供的 MicroStrain 3DM-GQ7-GNSS/INS 代替 uBlox F9P，重复了这一测试。GNSS 数据来自 GQ7 的 GNSS1 接收机，采用 MIP 格式，因此可以方便地转换为 MIP 辅助命令。

      带标准 NMEA 输入的 3DM-CV7-INS

      无需任何配置，通过在任何 MIP 数据包之间交错 NMEA 句子，即可通过主端口输入 NMEA 数据。这就要求能够将 NMEA 数据流传输到设备，同时接收 MIP 格式的输出。通常，这种设置需要用户进行一些编程。

      但是，通过一些简单的设备配置，就可以通过 GPIO 引脚传输 NMEA 数据流，从而腾出主通信端口用于仅 MIP 通信，而且无需编程。这就是本文中向 3DM-CV7-INS 提供 NMEA 数据的方式。

图 1：为 3DM-CV7-INS 提供 NMEA 输入的设置

      所需材料

        • MicroStrain 3DM-CV7-INS 开发板和 USB 接口电缆。

        • uBlox F9P、开发板、USB 电缆、GNSS 天线和相关射频电缆。

        • 3 根跳线。

        • 配备以下设备的计算机

                • SensorConnect.

                • uBlox 的 uCenter。

                • 用于 NTRIP RTK 校正的互联网连接。

      设备配置：

      3DM-CV7-INS 可接受各种 NMEA 句子。在本次测试中，我们利用 uCenter 对 uBlox 模块进行了配置，以输出以下信息： GGA、GSV、VTG 和 ZDA。此外，我们还使用 uCenter 的 NTRIP 客户端通过 VT CORS 网络 VTRI 安装点（离我们的位置最近的基站）提供 RTK 校正。本文中使用的所有配置文件均可在此处下载，或联系我们的支持团队（support.microstrain.com）。

      3DM-CV7-INS 被配置为通过 GPIO1 接收来自 F9P 的 PPS 输入，通过 GPIO3 接收 NMEA 输入，GPIO3 被配置为 UART 输入。

      SensorConnect 用于连接 3DM-CV7-INS 并记录二进制文件以供分析。

      带 MIP 辅助的 3DM-CV7-INS

      3DM-CV7-INS 还可以接受各种辅助数据，包括 ECEF 或 LLH/NED 格式的位置和速度数据（GNSS 接收机的常见输出）。本文使用 Python 脚本将来自 GQ7-GNSS/INS 的 LLH 位置、NED 速度和 GPS 时间发送到 3DM-CV7-INS 中。

      实验设置：

      除了通过内部开发的 python 脚本通过 MIP 协议将来自 MicroStrain GQ7-GNSS/INS 的 GNSS 数据洗牌到 3DM-CV7-INS 之外，本测试的执行方式与之前定义的方式相同。之所以使用 GQ7 而不是 uBlox 模块进行这项测试，是因为 GNSS 数据是本地 MIP 格式，不需要开发 uBlox 解析器。与之前的测试一样，源模块的 PPS 输出连接到 3DM-CV7-INS 上的 GPIO1。

      所需材料

        • MicroStrain 3DM-CV7-INS 和开发板。

        • Microstrain 3DM-GQ7-GNSS/INS、GNSS 天线和相关射频电缆。

        • MicroStrain 3DM-RTK 加密狗，带微型 DB9 至微型 DB9 电缆。

        • 一条微型 DB9 电缆和飞线。

        • RS-232 USB 转换器。

        • 一个带母插座连接器的 9 位 D-sub 插座。

        • 一根微型 DB9 转 USB 电缆。

        • 一台带有 python 脚本的计算机，用于将 GQ7 GNSS 数据转换到 3DM-CV7-INS。

图 2：3DM-CV7-INS 的 MIP 辅助设置。

      设备配置：

      GQ7-GNSS/INS 已配置为通过 3DM-RTK 加密狗接收 RTK 校正。使用 SensorCloudRTK 对 3DM-RTK 加密狗进行了配置，以接收来自 VT CORS VTRI 安装点的校正，从而与之前测试中的配置相匹配。微型 DB9 引线电缆用于为本次测试制作适当的线束。图 3 是制作电缆的接线图。本文中使用的所有配置文件均可在此处下载，或联系我们的支持团队（support.microstrain.com）。

      使用 Micro DB9 电缆将 3DM-CV7-INS 连接到计算机，并将制作好的电缆从 GQ7-GNSS/INS 连接到 USB 到 RS-232 转换器，然后再连接到计算机。随后，运行 python 脚本，将数据收集到二进制文件中进行分析。

图 3：用于从 GQ7-GNSS/INS 提取 PPS 信号的定制电缆接线图。

      结果与讨论：

      两种全球导航卫星系统辅助方法的静态位置测试结果见图 4。

图 4：使用 NMEA 辅助和 MIP 辅助的 3DM-CV7-INS 的经度和纬度与时间的关系。

      从这些数据可以看出，当使用 MIP 辅助指令集时，3DM-CV7-INS 在一小时测试时间内的变化明显较小。为帮助直观显示差异，我们将纬度/经度数据转换为方位/经度框架，并在图 5 中提供了二维图，标准偏差见表 1。

图 5：使用 NMEA 辅助和 MIP 辅助的 3DM-CV7-INS 的方位/经度

表 1：NED 框架中的标准偏差（1σ）。

      这些辅助方法不同的主要原因是，NMEA 虽然足以形成完整的导航解决方案，但并不包含 GNSS/INS 所需的完整数据描述。例如，NMEA 速度报文（VTG）只包含地面速度和行驶方向，没有描述车辆垂直运动的速度数据。此外，传统接收机输出的标准 NMEA 信息通常不提供位置和速度不确定性，因此 3DM-CV7-INS 使用基于接收机报告的定位模式的保守估计。这些保守估计允许位置随时间的漂移稍大一些。

      使用 NMEA 输入的主要好处是可以缩短上市时间，简化与传统系统的集成。虽然定位解决方案可能不如使用 MIP 辅助那样精确，但设置却非常快速简单。由于 3DM-CV7-INS 可以通过一个 GPIO 端口接受标准 NMEA 输入，因此无需软件开发即可实现完整的导航解决方案。

      对于希望提高性能和优化产品的最终用户来说，使用 MIP 辅助命令集是一个不错的选择。要将 GNSS 数据格式化为 MIP 并与 3DM-CV7-INS 接口，需要进行一些软件开发，但这种接口要灵活得多，也具体得多；因此，与标准 NMEA 输入相比，位置解决方案可以更加精确。为了帮助集成，MicroStrain 提供了功能齐全、公开可用的 SDK (https://github.com/LORD-MicroStrain/mip_sdk)。