第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）
科技小论文
GNSS/INS组合导航系统数据处理分析软件界面及其处理结果的多维同步显示和场景回放
作者：徐良春，谭羽安
指导教师：牛小骥，章红平
（武汉大学测绘学院，武汉 武昌430079）
【摘要】 设计了一套GNSS/INS组合导航系统数据处理和分析软件的界面框架及其处理结果的二维、三维同步显示功能，分析了GNSS/INS测量数据的处理流程特点，结合核心处理算法，并参照已有的国外同类软件的界面，设计出自己的GNSS/INS组合导航数据处理分析软件的界面框架及其输出结果显示模块，具有多维数据同步显示功能和基于Google地球的实验场景回放功能，大大提高了数据分析的效率和准确性。
【关键词】 GNSS/INS组合导航系统、数据处理软件、同步显示、场景回放
1 背景及意义
GNSS/ INS 组合导航系统由全球卫星导航系统(GNSS) 、惯性导航系统( INS) 和信息处理系统三部分构成[1]。
GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，中文名为全球导航卫星系统，目前，GNSS包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统。GNSS是当前应用最为广泛的导航定位手段，使用方便、成本低廉，其最新的单点定位精度已经达到5米以内，精密单点定位（ppp）和差分定位（RTK）分别达到分米和厘米量级。但GNSS系统应用存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足。
INS是Inertial Navigation System的缩写，即惯性导航系统。INS系统利用安装在载体上的惯性测量器件（加速度计和陀螺仪）敏感载体的运动，输出载体的姿态和位置信息。INS系统完全自主，保密性强，并且动态特性好，具备多种参数输出（位置、速度、姿态），但是存在误差随时间积累的问题，导航精度随时间而发散，不能单独长时间工作，须定期通过外部辅助信息修正。
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将GNSS和INS进行组合可以使两种导航系统取长补短，构成一个有机的整体。它结合了GPS 的高精度定位、误差无积累及INS 的自主性和动态特性等优点,可使定位系统的可靠性增加、精度提高,并能输出完整细腻的导航参数[2]。
GNSS/INS组合导航系统的算法软件模块是其核心部分。目前对GNSS/INS组合导航系统测量数据进行处理分析的商用软件（如加拿大Applanix公司的PosPAC，NovAtel公司的Inertial Explorer）都是国外产品。中国的Compass（北斗）正在加紧建设，即将投入运行，开发出自主知识产权的GNSS/INS组合导航系统数据处理软件是一项紧迫的任务。我们在本项目中围绕指导老师研发的GNSS/INS组合导航核心算法，对数据处理流程和软件功能需求进行了详细了解，设计制作了这款数据处理软件的界面，并针对组合导航数据处理结果的分析研究需求，针对性地设计了输出结果的多种数据时间同步显示模块和基于Google Earth的实验现场三维场景回放功能，大大提高了数据结果分析和问题查找的效率和准确性。 2 软件框架设计
GNSS/INS组合导航系统数据处理和分析软件是处理GNSS/INS组合导航系统外业测量数据，得出测量结果并做显示和分析的软件，其工作流程如图1：
常用数据格式互转 独立模块 IMU转台标定等
图1 GNSS/INS组合导航系统数据处理分析软件工作流程
根据软件的工作流程，我们用C#语言设计了一个初步的简洁的界面，如图2：
图2 GNSS/INS组合导航系统数据处理和分析软件界面
界面设计完成后，由于界面用C#编写，而数据核心处理算法是用C++语言编写，因此还涉及到平台间互相调用的问题，我们用的方法是将C++编写的语言打包成动态链接库，再在界面触发事件中进行调入。
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3 多种数据的时间同步显示：
我们希望将陀螺仪输出值与加速度计输出值通过曲线显示出来，这样，便可以直观地观察到任一时点的输出值大小，以及任一时段的变化情况。 现有的软件已经实现了陀螺仪与加速度计输出值的图形化，但仍然存在着不足之处,不足之处主要有：
1) 各曲线之间不能实现时间轴（X轴）的同步，不利于比较分析； 2) 无法选中曲线上的一个或多个兴趣点或区域； 3) 没有方便的时标转换功能。
我们的软件在实现多种数据图形化显示的基础上解决了现有软件的上述缺陷。
一．实现了在同一个窗口同时显示陀螺仪与加速度计的曲线。陀螺输出值X，Y，Z方向曲线，分别对应窗口1，2，3；加速度计输出值X，Y，Z曲线，分别对应窗口4，5，6。将六幅图同时显示于同一窗口，简化了操作，能够避免了操作上的失误，同时，也让桌面更加简洁直观。
图3 陀螺仪与加速度计数据输出
二．通常我们分析问题时，习惯于标记自己感兴趣的对象及其相关联的各因素（如同一时刻的其它因素），以方便研究。分析组合导航系统各数据曲线时也不例外，我们希望将异常点（或异常区域）标记出来，查看该点（或该区域）所对应其它相关数据的情况，这就涉及到了各种数据显示的时间同步问题，各个曲线之间的同步使得分析更加简便而高效。我们在软件中实现了不同曲线之间的时间同步显示与兴趣点（或区域）的同步标记功能。 1．在任一幅图上双击感兴趣点，六幅图上同步标记。也可以取消已标记的点，在任一幅图上双击已标记的点，六幅图将同步取消标记。也可以标记多个感兴趣点，如图4：
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图4 同时选取多个兴趣点
2．对陀螺仪与加速度计的分析往往需要仔细观察某个时段上的变化情况，这就需要实现时段上的同步，在任一幅图上用鼠标框选择某个时段，将同步显示该时段上的变化情况，而不必手工操作。如图：
图5 数据曲线的时间轴联动缩放
实际上，六幅图总是在时间上保持同步的。因此，这一功能还实现了同步放大与同步缩小，而不必手工逐个操作。
3．另外，当将鼠标置于某个点上时，能够显示出该点的横纵坐标，如图6：
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图6 显示所选点信息
三．不同时间系统的选择
GPS系统内部所采用的时间系统是GPS时，其时间零点定义为处于1980年1月5日夜与1980年1月6日晨之间的子夜。GPS时系统在标示时间时所采用的最大时间单位为周（Week,即604800秒），其标示时间的方法是从1980年1月6日0时开始起算的周数加上被称为周内时间的从每周周六/周日子夜开始起算的秒数。在GPS卫星所发送的导航电文中，时间信息的标示就是采用这种形式。 人们日常所生活所使用的时间系统为协调世界时（Coordinated Universal Time），简称UTC。
GPS时间适合用于研究，而UTC更加直观，用户可以根据需要选择时间系统，如图7：
图7 时间系统的切换
轨迹三维显示：
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