基于信息融合的组合导航系统研究

文章编号:1004-9037(2001)02-0210-05

基于信息融合的组合导航系统研究

黄晓瑞 崔平远

(哈尔滨工业大学航天工程与力学系　哈尔滨,150001)

摘要　针对GP S 接收机在高机动工作状态或受遮挡时易出现“丢星”现象而导致定位中断的问题,提出了一种采用GP S /G L ON A SS /IN S 组合导航系统对载体进行快速定位、定向的新方法。文中首先总结了GP S 导航系统的不足,在此基础上给出了组合系统的设计方案和工作原理,然后对基于联合卡尔曼滤波的多传感器信息融合算法进行了论述与分析,最后给出了计算机仿真。结果表明:该方法可有效地提高导航系统的精度和可靠性,为融合导航系统的数据分析和处理提供了一个有效途径。

关键词:信息融合;组合导航;全球定位系统;联合卡尔曼滤波器中图分类号:T N 967.1;T P274 文献标识码:A

Research of Integrated Navigation System

Based on Information Fusion

H uang X iaorui Cui Pingy uan

Depar tment of A str onautics Eng ineer ing and M echanics,Ha rbin Institute o f T echnolog y Har bin 150001,P.R.China

Abstract When a GPS receiver is in hig h dynam ic state or sheltered by obstacles,

nav ig atio n is alw ays interrupted due to ‘losing satellites ’

.So a new m ethod o f GPS /GLONASS /INS integ rated navigatio n sy stem for quick positioning and orien-tating is pr esented to solve this problem.Firstly ,the dem er its of GPS is r eview ed,and the scheme and the principles o f the integrated navig ation sy stem ar e ex-plained .T hen a multi -sensor info rmation fusion alg orithm based on federal Kalm an filter is analyzed in detail.Finally ,the com puter simulatio n is given.Result show s that the accur acy and the reliability o f the navigation sy stem are efficiently im-pro ved thus pro viding an approach to data processing in the integ rated nav ig atio n sy stem .

Key words :inform atio n fusion;integrated navigation;GPS;feder al Kalman filter

　收稿日期:2000-05-17;修订日期:2000-09-01

引 言

导航的目的就是准确可靠地对运动载体进行航迹引导,因此对导航系统最基本的功能要求就是能

够提供足够精确和可靠的位置、速度和姿态等信息。

随着科学技术的迅猛发展,可用来作为导航的设备相应地出现了很多种,目前应用最为广泛的是全球定位系统(GPS )和惯性导航系统(IN S ),二者的组合

第16卷第2期2001年6月数据采集与处理Jour nal o f Data A cquisit ion &Pr ocessing V o l.16No.2Jun.2001

更是近几年来最热门的研究方向之一[1]。

全球定位系统(G lo bal posit ioning system)是美国国防部为陆、海、空三军研制的卫星导航定位系统,它的高精度、全球性、实时性使其在全世界范围内得到迅速推广。更为可贵的是,达到足够的精度只需非常低的成本就可获得。然而任何一种导航方法都存在可用性问题,GP S也有它固有的缺点[2]:(1) GP S为非自主式导航系统,容易受地形地物遮挡而引起定位中断。当装有GP S的载体进入山谷或两旁密林的道路时,部分或全部GPS卫星可能被遮挡,导致可用卫星数减少,几何精度系数GDO P增大,而使定位精度降低到允许范围以下,甚至出现可用卫星数少于3颗而不能进行定位的情况。(2)动态环境中可靠性差,易发生信号失锁和周跳,不能确保定位的连续性。(3)数据采集频率较低。这些缺陷使GP S的应用受到一定制约。因此如何有效解决上述技术问题,开发一个可长期、精确、实时、可靠工作的导航系统是目前研究的热点。从现有条件来看,G PS 与其他导航设备相结合构成组合导航系统是解决问题的最佳方法。

1　组合系统的方案和原理

1.1　方案设计

针对G PS所存在的问题,在设计组合导航系统方案时应从以下两个方面考虑:

(1)利用相似系统增加观测信息的冗余度

针对载体在大机动和受遮挡时易出现的“丢星”现象,可以看到:多余观测量对于导航系统的精度和可靠性都是至关重要的,也就是说,对GP S而言,可测卫星数的多少直接影响着整个系统的性能。因此在设计组合系统时,可以考虑用其他卫星星座来增强G PS,目前最好的方法就是利用GL O N ASS[3]。将二者组合在一起,就会使空中可见卫星数加倍而得到更好的卫星几何因子,从而放宽了对载体测量地点和测量条件的限制,提高定位的可靠性和精度。

(2)利用非相似系统增强组合系统的互补性

GP S/G L ON A SS组合星座清除了地球上卫星覆盖的空白带,但并不是说可观测到的导航星增加了就能保证万无一失,随着“反卫星”卫星、激光和粒子

束武器等技术的不断发展,将对G PS和GL O N ASS系统的正常工作乃至生存都构成威胁。因此在设计组合导航系统时,还应按照使各组成部分具有非相似性和互补性的原则,充分发挥组合系统的余度功能,即使在卫星系统失效时,仍能根据递推原理继续工作。基于这种考虑,又可将卫星导航系统与惯性导航系统进行组合。

惯性导航系统(Iner tial navigation system)也是目前应用最多的导航系统之一,它是一种完全自主式的、全天候、不受外界环境干扰影响且无信号丢失的导航系统,能够提供位置、速度、姿态等多种导航信息。然而,IN S的定位误差会随时间不断增长,其导航精度主要取决于陀螺和加速度计这两类惯性传感器的水平,但单纯采用高精度的惯性元件又会使整个系统的成本急剧增加。

根据以上分析可知:采用GP S/G L ON A SS兼容接收机和中等精度的惯导系统进行组合是最为理想的组合导航系统。

1.2　工作原理

组合导航系统的本质就是充分利用外部信息,依据某种准则进行数据的融合,以获得参数最优估计。对G PS/G L ON A SS/IN S组合系统而言,就是利用GPS/GL O N ASS接收机的观测量对惯性导航系统的导航信息及惯性器件的误差进行实时修正,由此来提高整个系统的精度和可靠性。组合系统的原理图如图1所示。

图1　系统组成原理图

组合导航系统在工作时,利用G PS/GL O NA SS 接收信号实时校正IN S的位置、速度等导航参数的误差,从而可以放宽对惯导元件精度的要求,同时利用IN S的自主性,实时递推估计导航参数,以弥补GP S/G L ON A SS接收机由于信号丢失而无法定位的缺点。另外,借助惯导系统的姿态信息和角速度信息,还可提高GP S/G LO N A SS接收机天线的定向操作功能,使之快速捕获卫星信号。

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第2期黄晓瑞,等:基于信息融合的组合导航系统研究