2. 组合导航基础
组合导航的本质，是把“绝对但易受干扰”的 GNSS 与“连续但会漂移”的 INS 结合起来，再引入里程计、视觉等辅助观测，形成互补约束。要理解量产标定与验证，必须先看清各传感器的物理量、坐标系和误差来源，否则标定参数只是无意义的数字。
一、四类传感器的原理与互补性
GNSS 提供全球绝对位置与速度，长期稳定、无累积误差，但输出频率低（通常 1～10 Hz），城市峡谷、隧道、高架下易失锁或多路径。INS 由陀螺仪与加速度计组成，通过积分得到姿态、速度、位置，输出频率高（100 Hz 以上）、短时精度好，但零偏与标度因数误差会随时间累积，位置误差呈三次方发散。
里程计（轮速计）测量车辆沿车体纵轴的前进距离与速度，在 GNSS 失锁时可抑制 INS 速度发散，但受轮径变化、打滑、胎压影响，且无法观测横向与航向。视觉（摄像头/视觉里程计）通过特征匹配估计相对运动与航向变化，能提供横向约束和车道级信息，但受光照、纹理、动态目标影响，尺度需外部信息辅助。
二、坐标系定义：标定的“共同语言”
组合导航涉及多套坐标系，标定的第一步就是明确各坐标系原点、轴向与转换关系。量产中常见的定义如下：
- ECEF（地心地固坐标系）：原点在地心，X 轴指向本初子午线与赤道交点，Z 轴指向北极，用于 GNSS 卫星位置解算。
- ENU/NED（当地水平坐标系）：原点在载体所在点，ENU 为东-北-天，NED 为北-东-地，用于导航结果表达。
- 车体坐标系（b 系）：原点通常在车辆后轴中心或质心，X 向前、Y 向右、Z 向下（或向上），是里程计与视觉的参考基准。
- IMU 坐标系（i 系）：由 IMU 安装位置与轴向决定，与车体系存在安装角与杆臂。
- 相机坐标系（c 系）：原点在光心，Z 沿光轴，与车体系存在外参旋转和平移。
标定要解决的核心问题，就是求取 i 系到 b 系、c 系到 b 系、GNSS 天线到 b 系的旋转与平移。这些外参一旦有误，融合结果会出现系统性偏差，且无法通过滤波自行收敛。
三、姿态表示与误差模型
姿态常用三种表示：欧拉角（横滚、俯仰、航向）直观但存在万向锁；旋转矩阵无奇异但需正交约束；四元数计算高效、无奇异，是滤波中的主流状态表示。工程中常以四元数递推，输出时再转欧拉角。
INS 误差模型是组合导航的基石，主要包括：
| 误差项 | 物理含义 | 对导航的影响 | 标定/补偿方式 |
|---|---|---|---|
| 陀螺零偏 | 角速度输出常值偏差 | 航向随时间线性漂移 | 静态标定+在线估计 |
| 加速度计零偏 | 比力输出常值偏差 | 速度、位置二次发散 | 多位置标定+滤波估计 |
| 标度因数误差 | 输入输出比例不准 | 大动态下误差放大 | 转台速率/温度标定 |
| 安装误差 | IMU 轴向与车体不重合 | 姿态与航向系统偏差 | 外参标定 |
| 杆臂 | IMU 与 GNSS 天线位置差 | 转弯时位置跳变 | 几何测量+标定 |
四、典型场景与常见误区
以城市高架场景为例：GNSS 因遮挡频繁失锁，此时系统主要依赖 INS+里程计+视觉。若里程计标度因数未标定，纵向速度会被低估，导致位置在 30 秒内偏移数米；若视觉外参航向角有 1° 误差，在 100 米行驶后横向偏差可达约 1.7 米。这些误差在标定阶段若未识别，量产车上会表现为“同一路段不同车辆表现不一致”。
# 典型标定参数清单（示例）
gyro_bias: [bx, by, bz] # rad/s
accel_bias: [ax, ay, az] # m/s^2
gyro_scale: [sx, sy, sz] # ppm
accel_scale: [sx, sy, sz] # ppm
R_imu_to_body: 3x3 旋转矩阵
R_cam_to_body: 3x3 旋转矩阵
t_gnss_to_body: [x, y, z] # m
time_offset: dt # s
理解传感器原理、坐标系与误差模型，是后续标定流程设计、验证指标制定和故障复盘的共同基础。只有把每个误差项的物理来源和可观测性弄清楚，才能判断哪些参数必须离线标定，哪些可以交给在线滤波估计。