GPS_INS紧耦合融合定位算法的研究与实现

学 校 代 码 10459
学号或申请号 ************
密 级
专业硕士学位论文
GPS/INS 紧耦合融合定位算法的研究与实现
作 者 姓 名：高少甫
导 师 姓 名：侯维岩 张大龙
专业学位名称：电子与通信工程
培 养 院 系：信息工程学院
完 成 时 间 2018年5月
A thesis submitted to
Zhengzhou University
for the degree of Master
Research and implementation of GPS/INS tightly coupled
fusion location algorithm
By Shaofu Gao
Supervisor: Weiyan Hou and Dalong Zhang
Electronic and Communication Engineering
School of Information Engineering
May 2018
学位论文原创性声明
本人郑重声明：本人所呈交的硕士学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。

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学位论文作者： 日期： 年 月 日
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学位论文作者：
日期： 年 月
日
摘要
惯性导航系统定位误差随着工作的时间的延长逐渐累积，GPS数据更新率低，动态特性差，在卫星信号受到干扰时，定位精度大大下降。

因此，INS和GPS 组合导航的研究成为现在研究的热点方向。

本文针对INS和GPS的相关内容的发展背景以及其目前研究状况进行了阐述，并简单介绍了惯性导航系统与GPS的基本原理，以及对两系统的特性进行了探讨。

对于INS/GPS的几种组合形式进行了分析。

针对惯性导航系统与GPS 工作过程中误差模型进行了深入探讨，在误差模型建立的基础上，选取合适的状态量与量测量进行数据融合。

最终实现了一种基于紧耦合模式的INS/GPS组合导航系统。

在进行数据融合过程中，针对两系统进行数据融合时的时间同步问题进行了研究，为了降低惯性导航系统在工作过程中误差的不断累积，提出了一种利用组合系统参量来对系统静止状态进行判断并进行零速修正的方法。

在进行数据融合时，提出通过利用子系统定位误差进行权值分配的动态加权融合方法。

并对其性能进行测试与验证。

通过利用MATLAB对已建立的系统模型进行仿真，通过对系统输出的姿态误差、速度误差、位置误差来对系统的性能进行评价。

通过对比能够看出改进后的系统性能相对较好。

最后通过搭建硬件平台对建立的数据融合模型以及所作的改进进行实际测试。

结果表明，利用该硬件平台进行行人的导航时，其静态误差可以控制在1m以内，动态误差一般在1.5m以内。

该系统能够满足实际应用中对导航结果可靠性与稳定性的要求。

关键词：惯性导航系统 GPS 零速修正数据融合硬件测试平台
I
Abstract
As the working time increases, the positioning error of the inertial navigation system gradually accumulates. GPS data update rate is low and its dynamic characteristics are poor. When the satellite signal is disturbed, the positioning accuracy is greatly reduced. Therefore, INS and GPS integrated navigation have become the hotspots of current research.
First of all, this paper introduces the development background of INS and GPS related content and its current research status. Then briefly introduced the basic principles of inertial navigation system and GPS, and discussed the characteristics of the two systems. Several combinations of INS/GPS were analyzed. Aiming at the error model of the inertial navigation system and GPS working process, based on the establishment of the error model, select the appropriate state quantity and quantity measurement for data fusion. Finally, a tightly-coupled INS/GPS integrated navigation system is realized. In the process of data fusion, the problem of time synchronization in the data fusion of the two systems is studied. In order to reduce the continuous accumulation of errors in the inertial navigation system, a system parameter is used to perform the system static state. Determine and perform zero-speed correction. In data fusion, a dynamic weighted fusion method for assigning weights by using subsystem positioning errors is proposed. And test and verify its performance.
By using MATLAB to simulate the established system model, the performance of the system is evaluated by the attitude error, velocity error and position error of the system output. By comparison, it can be seen that the relative performance of the improved system is better. Finally, we build a hardware platform to test the data fusion model and the improvements we have made. The results show that when using the hardware platform for pedestrian navigation, the static error can be controlled within 1 meter, and the dynamic error is generally within 1.5 meter. The system can meet the reliability and stability requirements of navigation results in practical applications.
II
Key words: INS; GPS; Zero velocity update; Data Fusion; Hardware test platform
III
目录
摘要 (I)
Abstract.................................................................................................... I I 1绪论 .. (1)
1.1 研究背景和意义 (1)
1.2 INS/GPS国内外研究现状与发展 (3)
1.3 主要的研究内容和论文结构 (5)
2组合导航系统基本原理 (7)
2.1 导航系统常用坐标系及转换 (7)
2.1.1 导航系统常用坐标系 (7)
2.1.2 常用坐标系的转换 (8)
2.2 惯性导航系统 (9)
2.2.1 惯性导航系统基本原理 (9)
2.2.2 姿态更新的四元数表示 (10)
2.2.3 惯性导航系统数值更新 (13)
2.3 全球定位系统（GPS） (14)
2.3.1 全球定位系统（GPS）的组成 (14)
2.3.2 GPS导航定位基本原理 (15)
2.4 INS/GPS组合模式及其特点 (16)
2.5 本章小结 (18)
3INS/GPS融合与仿真 (19)
3.1 INS误差模型 (19)
3.2 GPS误差模型 (24)
IV
3.3 INS/GPS紧组合系统 (26)
3.4 组合系统的优化 (28)
3.4.1 组合系统时间同步措施 (29)
3.4.2 组合导航系统静止状态的判定与修正 (31)
3.4.3 组合系统加权融合 (33)
3.5 INS/GPS组合导航系统的仿真与验证 (37)
3.6 本章小结 (39)
4硬件系统的实现与测试 (41)
4.1 硬件系统的主要结构 (41)
4.2 硬件系统的测试 (47)
4.3 本章小结 (51)
5总结与展望 (52)
5.1 工作总结 (52)
5.2 工作展望 (53)
参考文献 (54)
个人简历和硕士期间研究成果、项目参与及获奖情况 (56)
致谢 (57)
V
1绪论
1.1 研究背景和意义
随着科技的发展与社会的进步，日常生活中对导航的需求越来越多。

目前导航技术已经广泛应用到生活中的方方面面，包括航海、航天、航空、地面车辆的导航定位。

在交通、医疗、农业、资源勘探、大地测量等领域也有广泛的应用。

目前主要的导航技术按照其导航信息获取的原理可以分为卫星导航、天文导航、惯性导航、地形辅助导航、地磁导航等多种导航技术[1]。

但在单一导航系统使用的过程中，都会有其相应的优点与缺点。

单一的导航系统进行工作的过程中不易达到理想的工作效果。

相对应于单一的导航定位技术，组合导航技术能够对系统中的子系统进行相互补偿，从而具有更高的导航性能。

在导航系统的研究中，INS/GPS是公认的“黄金组合”[2]，通过利用两者进行组合导航，使系统能够互相辅助，从而导航性能极大提升[3]。

惯性导航系统[4]（Inertial Navigation System，INS）是一种依赖于惯性测量单元（Inertial Navigation Unit，IMU）的三维航迹推算导航系统[4-6]，导航过程中不需要依靠外部信息，不受外部信号的干扰，在短时间内导航具有很高的精度和良好的稳定性。

因此可以在各种环境状况下得到移动物体的三维速度、位置、姿态信息，正常工作不受外部环境的影响。

在捷联惯性导航系统[4, 6-9]（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）中，INS的姿态通过导航计算机解算陀螺测量输出的角速率而得到的，加速度与载体固联，用于输出比力（除去重力以外的力），姿态解将测量的比力转换到坐标系中。

利用与位置关联的比力可以得到载体运动过程中的加速度。

根据得到的加速度信息，通过对其在一定时间内进行积分运算，即可得到载体运动过程中的速度信息，对速度同样通过利用积分运算即可得到载体在运动过程中的位置信息。

但是，惯性器件自身存在误差等原因，长时间工作中通过不断地积分，SINS系统的误差随着时间累积，从而在长时间工作中，不能保证较高的导航精度[10-12]。

单一通过利用提高惯性器件的精度来提高惯性导航系统的精度，将会很大程度上增加设备的成本，因而，从实际应用中成本和可靠的角度考虑，许多学者、研究人员都在寻求一种建立在惯性导航基础之上的
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组合导航系统。

这一系统不仅可以满足精度高，可靠性高的要求，而且整个系统的成本相对较低。

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）是为地球用户或空间用户提供定位和授时信息的卫星星座[13]，是一种天基无线电导航系统，其主要通过测量四颗以上已经确知星历的卫星到接收机天线之间的信号的时延最终确定用户的位置信息，包含了美国的GPS，我国的北斗BDS，俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统，目前可用的卫星数目达到100颗以上。

目前使用最广泛的是全球定位系统[14, 15]（Global Position System，GPS），是由接近12小时轨道上的24颗卫星组成（目前轨道上超过24颗），除了军事用途外，已经大量应用与商业和公共用户当中。

该系统可以授时、测距，以空间交会为基础的全球实时卫星定位系统，能够为全球用户提供全天候、高精度的三维位置、速度、精确地时间信息（PVT），该系统在长时间工作后定位误差不会累积，能够连续长时间为用户提供实时定位。

但是在导航定位的过程中容易受到多径效应的影响，容易受到干扰，信噪比低，从而使量测误差变大。

在卫星信号受到遮挡时，比如建筑物、树木的遮挡，使得接收到的卫星数目低于4颗时，GPS接收机不能完成定位。

其在动态环境中GPS卫星信号的可靠性差，尤其是在高动态环境中由于多普勒频移的影响，造成接收捕获和跟踪卫星的能力受到影响，更严重的情况下会导致卫星信号的失锁。

此外，GPS在工作过程中其数据更新率低。

因此，在一些导航定位精度要求较高的情况下，仅仅依靠GPS不能满足导航定位的要求。

综上可知，INS和GPS在导航定位中可以很好的进行优势互补，把两种导航系统利用某种方式合理的组合在一起，能够使导航系统在工作过程中的定精度得到提高的同时，其工作的可靠性也得到了提升[16]，能够较好的弥补利用单一系统在定位性能上的不足。

在许多领域中，组合导航系统已经成为当前重要的导航解决方案，其中SINS/GPS组合技术是目前最先进的全天候的、自主式导航定位技术[17]。

通过将两定位系统进行组合，不仅能够克服单一系统的不足，而且能够充分发挥单系统自身的优点，从而使得组合导航系统的性能优于各子系统单独进行工作时的性能，达到更好的定位效果。

SINS/GPS成为目前相对较好的组合定位系统解决方案。

一方面该系统能够利用长时间工作仍然具有较高精度的GPS信息作为系统的外部输入量测信息，不断地修正随着工作时间延长而逐渐累积的SINS的误差；另一方面SINS短时间内具有较高的定位精度，在GPS信号受到遮挡时，可以用来解决GPS信号丢失以及周跳等问题，增强在动态环境
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下GPS接收机对卫星的捕获和追踪的能力，从而提高了系统整体的抗干扰性能和动态特性。

由此，SINS组合导航定位系统因其低成本、高精度、抗干扰、小型化的特点，成为理想的组合导航系统，在国内外得到广泛的关注和研究。

但是目前的组合导航系统仍然存在着诸多问题需要解决，例如导航系统的精度、抗干扰性等问题，因此本课题研究立足于探索具有高可靠性、高精度的自主导航定位系统。

1.2 INS/GPS国内外研究现状与发展
惯性导航系统是20世纪初基于牛顿经典力学发展起来的导航定位系统，根据定位目标的初始位置信息以及基准方向，结合惯性器件（如加速度计和陀螺仪）推算出载体的位置、速度和姿态信息[18]。

INS具有完全自主的导航能力，其导航过程中不需要外界任何的电磁信号，因此其具有很强的抗干扰能力。

这也是卫星导航、天文导航、无线电导航所无法比拟的。

尽管其导航性能比不上卫星导航，但是仍无法阻止INS成为载体导航的核心设备[19]。

惯性传感器的质量很大程度上限制了INS系统的定位性能。

造成INS导航过程中的误差因素包括：系统初始化误差、惯性器件的误差，计算模型的误差。

目前来说，高精度惯性器件及系统仍然是一个重要的研究方向，惯性技术发展的最高水平即为针对高精度惯性期间以及相关技术的研究。

由于军事用途中对惯性系统的需要，其市场需求长期稳定，当前在民用市场中，如地质勘测、隧道以及井下定位、航空测绘，对高精度惯性系统的需求逐渐增加。

由于不同的导航系统具有不同的特点，使用INS/GPS组合导航系统能够将两种及以上的不同导航系统进行组合，通过测量同一信息源，将其不同导航系统的测量值进行对比，并采用某种修正方法对系统的误差进行修正。

INS/GPS组合导航系统通过利用数据融合的方法将两子系统组合起来，实现各子系统的优势互补，从而提高系统的精度与可靠性。

组合导航技术从80年代开始得到了越来越多的国内外专家与学者的关注。

利用卫星系统与惯导系统融合能够为用户提供高可靠性与高精度的导航信息得到了导航界的一致认可。

经过30余年的发展，加上卫星定位技术、计算机技、惯性定位技术以及现代数学理论的快速发展，INS/GPS组合技术取得了极大的进步。

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在国外，针对INS/GPS紧耦合的研究开展的较早，目前已经成为欧美国家的军用飞机的应用重点，经过长时间的实际应用，目前其工作效果比较理想。

1989年6月开始美国McDonnell Douglas导弹系统部采用紧耦合制导系统的空对地导弹SLAM已经完成了三次实弹飞行试验。

目前美国军事中应用的战机如的F-22，F-16等，联合制导攻击武器、战斧巡航导弹上均已使用GPS/INS组合的导航系统[20]。

英国GEC-Marconi公司推出的FIN-3110航电系统，已于2010年前后成功在EF-2000战斗机上服役[21]。

通过长期以来大量科研人员与学者的研究，通过上述诸多滤波算法的研究，使得组合导航系统的滤波算法理论日臻成熟，并补充了组合导航的不足。

使得INS/GPS组合导航技术得到了飞速的发展。

虽然我国在INS/GPS组合导航系统方面的研究开始的时间稍有落后，当前国内进行的相关研究主要处于针对相关的理论的探究以及通过建立数学模型进行理论仿真阶段，面对很多技术与理论上的难题需要解决，但是我国相关的科研工作正在如火如荼的展开，正在与世界水平拉近距离。

在国内，学者与科研人员对惯性系统与GPS组合导航融合算法与仿真进行了大量的研究。

秦永元[22]研究的INS辅助GPS码环跟踪，为卫星跟踪环路辅助技术在超紧组合方面的研究奠定了基础。

安东和郑鄂[23]在GPS/INS组合系统中引入码环跟踪估计器，将设计的自适应滤波器应用到紧耦合系统中，从而使码跟踪误差的容限得到了提高。

孙道省[24]将联合滤波方法应用到GPS/INS紧耦合导航系统中，得到了较好的效果。

唐康华[25]在降维超紧组合算法中应用了UKF算法，通过搭建实际的嵌入式组合系统对该算法进行了实际的测试。

高帅等人[26]验证了集中式与分布式超紧组合结构的特性，并对基于UKF的GPS/SINS超紧组合系统进行了仿真验证。

此外还有大量的科研人员对超紧组合技术进行了具体的研究[27-37]。

针对低成本GPS/SINS组合导航系统的研究，国内许多科研单位诸如中航工业618所，中国航天科技集团的12所，33所，以及国内高校如南航、北航、国防科技大学、哈工大、西工大等，在组合导航系统中的系统补偿技术、精度分析技术、Kalman滤波算法等方面进行了大量的研究，并取得不错的成果。

但鉴于国内大多数的相关研究是基于仿真数据和在实验室环境中的导航算法的研究，在实践应用中还是有很长的路要走。

当前针对INS/GPS组合导航系统的研究仍有一些方面的工作需要进行:
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1、在INS/GPS组合方案中，不同的组合方案在实际实施工程中的实现难易
程度以及其最终的组合效果是有一定的差异的。

对导航系统的组合方法
的设计与优化是提高组合系统性能尤为重要的一部分。

2、惯性导航系统误差特性以及采用解算方法带来的影响。

随着惯性测量单
元的技术的进步以及惯性系统制造工艺的提升，惯性系统的初始工作误
差、震动干扰误差、安装误差、惯性器件自身误差等相关问题都得到了
一定程度的改善，但是对于惯性导航系统的累积误差的研究还有很大的
空间。

如何降低惯性导航系统的累积误差，在长时间工作后如何抑制惯
性导航系统的累积误差，是提高系统导航可靠性与高精度的重要内容。

3、INS/GPS信息融合技术是关系到系统最终工作效果的关键一步，对于
INS/GPS组合导航系统，针对INS输出的导航信息与GPS接收到的导
航信息，在进行数据融合的过程中，由于采用的方案不同，得到的结果
也是有所不同的，在硬件平台确定的条件下，系统融合算法对于系统的
组合效果至关重要。

4、实际测试与验证。

通过理论分析与仿真验证只能得到在理想状态下的效
果。

由于实际应用过程中，环境相对比较复杂，实际的测试效果与理论
结果会有差异，通过实际的测试验证也是改进设计与提高系统性能的重
要部分。

1.3 主要的研究内容和论文结构
首先阐述了相关领域中针对INS/GPS组合导航系统的相关背景以及捷联惯性导航系统与GPS组合导航在融合时的相关研究历程与现状，并介绍了一些国内外研究人员在组合导航技术上所进行的工作，同时指出了目前相关研究在某些方面还存在的一些问题，并针对目前INS/GPS组合导航系统中的一些问题，开展本设计相关的研究内容。

全文各章节的安排如下：
第一章，绪论：指出本论文的选题背景和意义，针对INS和GPS组合导航中人们所做的研究进行了简单的介绍，并对本设计中所研究的相关内容和论文的结构安排进行了介绍。

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第二章，以组合导航系统的基本原理作为出发点。

首先介绍了在对导航系统进行研究的过程中的主要用到的坐标系，并对导航系统中的相关的坐标系之间的转换进行了介绍。

在导航系统中，导航数据的获取以及数据的解算都离不开各种参考坐标系，这是导航系统工作的基础。

随后介绍了惯性导航系统的基本原理，以及在惯性导航系统中进行数据解算常用到的四元数，以及其在姿态更新中的应用进行了介绍。

针对惯性导航系统，在介绍其工作原理的基础上，简单的推导了工作时导航系统的数值更新的过程。

针对GPS主要介绍了其组成部分以及进行导航定位的基本原理。

最后介绍了目前组合导航系统中常用的几种组合模型，并进行了简单的分析。

第一章是全文的基础，为下文的误差模型的分析以及组合系统模型的建立打下基础。

第三章，针对惯性导航系统与GPS中的常见误差建立导航系统的误差模型，通过利用导航系统的误差模型，建立了一种基一种基于伪距和伪距率的紧组合模型以及提出一种零速判定与修正方法。

对系统进行融合过程中的时间同步问题进行了分析，在进行数据融合过程中根据其位置误差的大小，进行动态加权融合。

最后针对文中建立的紧组合模型以及其改进模型，利用MATLAB平台对其进行仿真的以及相应的实际测试，对其输出结果进行对比，通过改进后的紧组合模式使组合系统的定位性能得到一定的提升。

第四章，根据已经建立的组合系统，并通过对组合导航系统进行的分析，设计并实现了一种组合导航系统的硬件平台，并利用该平台对文中提出的改进过的模型进行实际测试。

实际测试结果表明，通过利用改进后的紧组合方式的定位系统具有更好稳定性与定位精度其定位误差不超过1.5m。

第五章，该部分为本设计的总结与展望，首先简洁地介绍了在本设计中主要进行的工作，随后对其中的内容进行了总结，并针对目前相关的研究内容进行了展望。

文章的最后部分主要为全文在进行研究过程中学习以及所参考的文献，作者本人的相关信息以及简单介绍、随后的内容为本人在硕士研究生期间获得的一些成绩以及本文的致谢部分。

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2 组合导航系统基本原理
2.1 导航系统常用坐标系及转换
2.1.1 导航系统常用坐标系
在进行系统导航的过程中，运载体如车辆、行人、飞机等的运动参数的获取是通过建立在某种参考坐标系，在此基础上通过坐标转换与数据解算得到的。

因此对进行导航系统的研究和分析的基础是对导航坐标系以及各坐标系之间的转换认知。

导航系统算法中应用到的坐标系种类有很多，下面是针对几种导航坐标系的以及坐标系之间转换关系进行介绍：
图2.1 惯性、地球、地理坐标系
1) 惯性坐标系（i 系）
惯性在地球附近导航应用中，惯性坐标系i i i X Y Z 为相对星体无旋转运动的右手坐标系，在本坐标系中将地球的质心设为坐标系的原点，设定坐标系中的i X 轴位于地球赤道平面，i Z 轴方向沿地球自转轴，i Y 轴与其他两轴构成右手正交坐标系。

惯性系统中惯性测量单元的量测都是此为基准。

2) 地球坐标系（e 系）
地球坐标系e e e X Y Z 的原点为地心，e X 轴的方向指向格林尼治子午圈与赤道面的交点，e Z 轴方向指向地球北极方向，e Y 轴与e X 轴都位于地球赤道面且相互垂直，e e e X Y Z 构成右手直角坐标系。

8 3) 地理坐标系（n 系）
地理坐标系是相对于大地水准面定义的坐标系，其坐标原点为运载体的中心，其X 轴（或E 轴）的方向沿着纬线的方向并指向东，Y 轴（或N 轴）方向沿着经线的方向指向北，Z 轴（或D 轴）方向为参考椭球的法线方向并指向下，即为东北地坐标系，也可以定义为东北天坐标系，本文中采用东北天坐标系。

4) 载体坐标系（b 系）
载体坐标系与系统载体固联，坐标系的原点位于载体的质心，b X 轴指向运载体前进的方向，b Y 轴指向运载体的右侧，b Z 与b X 轴和b Y 轴构成的平面相垂直，三轴构成右手直角坐标系。

2.1.2 常用坐标系的转换
1) 地理坐标系与载体坐标系的转换
载体坐标系与地理坐标系之间的三个夹角称为姿态角，分别为航向角ψ，俯仰角θ，横滚角φ。

地理坐标系通过三次连续航向角旋转就可以得到载体坐标系，根据旋转的顺序的不同，最终得到的旋转矩阵不同，本文中通过三次旋转最终得到两坐标系之间的转换矩阵为：
100cos 0sin cos sin 00cos sin 010sin cos 00sin cos sin 0cos 001cos cos -sin cos +cos sin sin sin sin cos sin cos =sin cos cos cos sin sin sin cos sin sin b n C θθψψφφψψφφθθψθψφψθφψφψθφψθψφψθφψφψ−⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎣⎦++−+sin cos sin cos sin cos cos θφθθφθφ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦
(2.1)姿态矩阵为：
()()1T n b b b n n C C C −== (2.2)
2) 地球坐标系与导航坐标系的转换
地球坐标系与导航坐标系之间的转换主要是通过将其进行两次旋转得到，假设某在地球坐标系下的某一点的纬度为L ，经度为λ则两次翻转可表示为:
sin cos 0=cos sin sin sin cos cos cos sin cos sin n e C L L L L L L λλλλλλ−⎡⎤⎢⎥−−⎢⎥⎢⎥⎣⎦
(2.3)。