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KF-GINS-Matlab

[中]   [EN]

Matlab实现的基于扩展卡尔曼滤波的GNSS/INS组合导航软件（Matlab版KF-GINS）

简介

虽然KF-GINS只实现了经典的GNSS/INS松组合导航解算，适合初学者学习理解组合导航算法，但是作为一套基于C++的组合导航软件，KF-GINS在代码调试和修改扩展方面对初学者仍有一定的挑战。因此，我们开源了一套基于Matlab实现的组合导航软件 KF-GINS-Matlab，作为KF-GINS的Matlab版本，更加适合于教学实验和初学者入门。除了实现Matlab版的KF-GINS外，KF-GINS-Matlab还增加了GNSS速度修正算法，并添加了ODO/NHC更新的框架。(注意：ODO/NHC观测更新的部分并没有完整实现，ODO比例因子误差也没有增广。欢迎大家根据文档中的算法自己填上，作为一种练习。)

单位: 武汉大学卫星导航定位技术研究中心多源智能导航实验室

相关资料:

  • 牛小骥, 陈起金, "惯性导航原理与GNSS/INS组合导航课程讲义", 武汉大学多源智能导航实验室, 2022
  • 牛小骥, 陈起金, "惯性导航原理与GNSS/INS组合导航课程视频", 武汉大学多源智能导航实验室， 2022
  • X. Niu, Q. Zhang, L. Gong, C. Liu, H. Zhang, C. Shi, J. Wang and M. Coleman (2014). "Development and evaluation of GNSS/INS data processing software for position and orientation systems." Survey Review 2014; 47(341), 87-98.
  • 严恭敏, 翁浚, 捷联惯导算法与组合导航原理. 西北工业大学出版社, 2019.
  • E.-H. Shin, "Estimation techniques for low-cost inertial navigation," Ph.D. dissertation, Dept. Geomatics Eng., Univ. of Calary, AB, Cabada, 2005
  • Savage, P.G., "Strapdown analytics, Part I", Maple Plain, MN: Strapdown Associates, 2000.
  • Titterton David, JohnL. Weston, and John Weston, "Strapdown inertial navigation technology", The Institution of Electrical Engineers, 2004.
  • P. D. Groves, "Principles of GNSS, Inertial, and Multi-sensor Integrated Navigation Systems", 2nd ed., vol. 39. Artech House, 2013.

如果你使用这个软件进行学术研究，请添加如下致谢，并引用我们的相关文档和论文

中文模板：“本文作者感谢武汉大学卫星导航定位技术研究中心多源智能导航实验室(i2Nav)牛小骥教授团队开源的KF-GINS-Matlab软件平台。”
English version: “The authors would like to acknowledge the team of Prof. Xiaoji Niu of the Integrated and Intelligent Navigation (i2Nav) group from GNSS Research Center of Wuhan University for providing the open-source KF-GINS-Matlab software that was used in the paper.”

联系:

  • 有任何相关的技术问题，可以向王立强(wlq@whu.edu.cn)发送邮件，或在仓库中开启一个议题。
  • 中国使用者可以加入QQ交流群(481173293)进行讨论，进群需要提供所在机构和真实姓名。

1.KF-GINS-Maltab文件介绍

文件名 主要功能描述
kf_gins.m 程序入口，组合算法处理主循环
Initialize.m 程序初始化
InsMech.m 捷联惯导机械编排算法
InsPropagate.m 状态向量预测和协方差传播
GNSSUpdate.m GNSS位置/速度观测更新
GetOdoVel.m 处理ODO原始数据，获取ODO测速结果
ODONHCUpdate.m ODO/NHC速度更新函数(观测更新未实现)
ErrorFeedback.m 误差反馈
ProcessConfig.m 处理程序的参数配置
ProcessConfig1.m GNSS位置/INS测试数据程序参数配置
ProcessConfig2.m GNSS速度/INS测试数据程序参数配置
ProcessConfig3.m ODO/NHC测试数据程序参数配置
Initialize.m 程序初始化
ProcessConfig.m 测试数据参数配置
function/Param.m 处理程序中的地理参数
function/*.m 旋转参数变换库/地理参数转换库
plot-function/plot_result.m 绘制导航结果曲线
plot-function/plot_std.m 绘制估计的导航状态STD
plot-function/plot_imuerror.m 绘制估计的IMU误差
plot-function/calc_error.m 计算定位结果的误差并绘制误差曲线
dataset1 GNSS位置/INS组合测试数据
dataset2 GNSS速度/INS组合测试数据
dataset3 ODO/NHC组合测试数据

2.KF-GINS-Matlab运行

2.1 运行环境和程序下载

KF-GINS-Matlab需要在Matlab软件中运行，不依赖额外的扩展包，不依赖系统环境，不特殊要求Matlab版本。

可以通过如下git命令下载KF-GINS-Matlab，也可以直接在github上下载压缩包进行解压。

git clone https://github.com/i2Nav-WHU/KF-GINS-Matlab.git ~/

2.2 KF-GINS-Matlab运行

1）在Matlab中打开KF-GINS-Matlab文件夹

2）双击kf-gins.m文件进入kf-gins.m编辑器，点击主菜单栏“编辑器”->"运行"，或者命令行窗口输入kf-gins(默认运行ProcessConfig1.m)

3）等待命令行提示程序运行结束

2.3 显示运行结果

1）将plot-function文件夹添加到工作区：右键单击plot-function文件夹，选择“添加到路径”->“选定的文件夹和子文件夹”

2）展开plot-function文件夹，执行plot_result.m绘制定位结果，执行clac_error.m绘制定位误差

2.4 注意事项

ODO/NHC 更新框架中，根据更新频率设置ODO更新时间。每次ODO更新时，使用GetOdoVel函数从原始数据中获取ODO速度。

GetOdoVel.m函数中，对更新时刻前后各10个历元的ODO数据平均得到用于更新的ODO速度，减小量化噪声。

2.5 运行其他测试数据

1）运行其他测试数据时，需要修改kf-gins.m中的cfg值；绘制其他数据结果时，需要修改绘图脚本中的文件路径

2）运行自己的测试数据时，建议重新自定义ProcessConfig.m，并修改文件路径和配置信息

3 测试数据

3.1 测试数据

KF-GINS-Matlab提供了三套测试数据，并在主文件夹下提供对应数据的参数配置文件。三套测试数据记为dataset1，dataset2和dataset3。其中dataset1为GNSS位置/INS测试数据，与KF-GINS中的测试数据相同；dataset2为GNSS速度/INS测试数据；dataset3为ODO/NHC测试数据。

数据文件夹 文件名 描述
dataset1 Leador-A15.txt IMU文本文件
GNSS-RTK.txt GNSS位置文件
truth.nav 参考真值文件
dataset2 ADIS16465.txt IMU文本文件
GNSS-POSVEL.txt GNSS位置速度文件
truth.nav 参考真值文件
dataset3 ADIS16465.txt IMU文本文件
GNSS-POS.txt GNSS位置文件
ODO.txt ODO速度文件
truth.nav 参考真值文件

3.2 数据格式

IMU文件、GNSS位置文件、参考真值，以及生成的导航结果、IMU误差文件和STD文件的具体格式请参考KF-GINS/README.md。GNSS位置速度文本文件，ODO文本文件格式如下：

  • GNSS位置速度文本文件格式定义为:
列数 数据描述 单位
1 GNSS 周内秒 $s$
2 纬度 $rad$
3 经度 $rad$
4 椭球高 $m$
5~7 位置标准差(北向-东向-地向) $m$
8~10 三维速度(北向-东向-地向) $m/s$
11~13 速度标准差(北向-东向-地向) $m/s$
  • ODO文本文件格式如下：
列数 数据描述 单位
1 GNSS周内秒 $s$
2 ODO速度 $m/s$

4 许可

KF-GINS-Matlab 源代码在 GPLv3 许可下发布。

商业用途请联系牛小骥教授(xjniu@whu.edu.cn)。