Mounting Angle Estimation Algorithm for Smartphone GNSS/MEMS IMU Vehicle-Borne Integrated System

WANG Fuhong; CHENG Yuxin; ZHAO Guangyue; ZHANG Wanwei

doi:10.13203/j.whugis20230381

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Mounting Angle Estimation Algorithm for Smartphone GNSS/MEMS IMU Vehicle-Borne Integrated System

Geodesy and Survey Engineering | 更新时间：2026-11-05

- Mounting Angle Estimation Algorithm for Smartphone GNSS/MEMS IMU Vehicle-Borne Integrated System
- Geomatics and Information Science of Wuhan University Vol. 50, Issue 10, Pages: 1948-1956(2025)
- 作者机构：
  
  武汉大学测绘学院，湖北武汉，430079
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13203/j.whugis20230381
  CLC： P228
- Received：23 December 2023，
  
  Published：05 October 2025
- 稿件说明：
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王甫红,程雨欣,赵广越，等.智能手机GNSS/MEMS IMU车载组合导航的安装角估计算法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(10):1948-1956.

WANG Fuhong,CHENG Yuxin,ZHAO Guangyue,et al.Mounting Angle Estimation Algorithm for Smartphone GNSS/MEMS IMU Vehicle-Borne Integrated System[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(10):1948-1956.
王甫红,程雨欣,赵广越，等.智能手机GNSS/MEMS IMU车载组合导航的安装角估计算法[J].武汉大学学报（信息科学版）,2025,50(10):1948-1956. DOI：,10.13203/j.whugis20230381

WANG Fuhong,CHENG Yuxin,ZHAO Guangyue,et al.Mounting Angle Estimation Algorithm for Smartphone GNSS/MEMS IMU Vehicle-Borne Integrated System[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2025,50(10):1948-1956. DOI：,10.13203/j.whugis20230381

摘要

针对智能手机车载导航时因安装角未知而降低全球导航卫星系统(global navigation satellite system

GNSS)/惯性导航系统组合导航精度与性能的问题，在智能手机GNSS/微机械惯性测量单元(micro-electro-mechanical system inertial measurement unit，MEMS IMU）紧组合导航算法的基础上，提出以载波相位时间差分计算得出的历元间位置变化量来构建安装角估计的观测方程，并在线估计智能手机车载导航安装角的卡尔曼滤波算法。在典型城市环境的两组车载实验结果表明，所提算法在较为严重的遮挡环境下可在80 s内实现大安装角初始化，安装角滤波器收敛后安装角波动在2°以内。安装角估计成功后，使用非完整性约束算法，严重遮挡条件下车载组合导航的精度与性能得到明显提升，平面位置与高程的精度统计均能维持在5 m左右。所提算法不需要增加里程计等辅助设备，能够较快实现智能手机大安装角的精确估计。

Abstract

Objectives

The unknown inertial measurement unit (IMU) mounting angles

i.e.

the misalignment angles between the smartphone's IMU and the vehicle body frame

can seriously affect the smartphone-based global navigation satellite system (GNSS)/inertial navigation system integrated system for vehicular navigation.

Methods

A real-time estimation of the IMU mounting angles is addressed through a Kalman filter whose measurement updates are realized by position variation between epochs derived by time-differenced carrier phase besides the smartphone GNSS/ micro-electro-mechanical system inertial measurement unit (MEMS IMU) tightly-coupled integration algorithm.

Results

Two vehicular navigation experiments were carried out in urban challenging environments to evaluate the performance of the proposed algorithm. The results show that a large mounting angle can be initialized within 80 s under moderate occlusion conditions

then convergence of the estimated mounting angle is shown to occur within minutes

and the accuracy is in the order of 2°. When the mounting angle is estimated successfully

the positioning performance of smartphone vehicular positioning will be improved significantly

both horizontal and vertical accuracy can be maintained at about 5 m in terms of root mean square by applying non-holonomic constraint under severe occlusion conditions.

Conclusions

The proposed algorithm can estimate large mounting angles accurately and rapidly without any auxiliary equipment such as an odometer.

关键词

Keywords

references

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