GPS_INS组合导航技术研究

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。 INS 的误差模型为[4]
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其中,Re 为地球半径,ωie 为地球自转角速率,fE,fN,fU 分 别为载体运动时加速度计所敏感的东向、北向和天向比力, εU 为陀螺天向漂移。
2.2 量测方程的建立
GPS/INS 组合导航系统的量测方程为 (9)
GPS 的状态变量为
Key words:GPS,INS,integrated navigation,kalman filter
引言
GPS 全球定位系统可以提供全球三维位置、速度和时 间,具有长期的稳定性和短期的随机干扰,其精度不随时间 而发散,广泛应用于航海、航天和陆上车辆导航系统中。但是 由于美国政府的 SA 政策,以及 GPS 本身不能直接提供载体 的姿态信息,它易受电子干扰,实时性较差,对高机动载体, GPS 不易捕捉和跟踪载波信号;在复杂地形,遮挡物较多的 地区,容易丢星。当 GPS 不能捕捉 4 颗以上卫星时,就不能提 供正常的导航信息。惯性导航系统(INS)根据惯性原理工作, 是一种自主式导航系统,有非常好的短期精度和稳定性,不 受外界参照物或遮挡的影响,具有信息的全面性和宽频带等 优点[1]。但是 INS 经过长期工作之后会形成积累误差,同时 它的初始对准的精度也会很大程度上影响系统导航精度。因 此,将 GPS 和 INS 组合是首选方案,这种组合模式不仅能有 效地减少系统误差、提高系统精度,同时还在工程上有着重 要的意义。
业出版社,2005.
系统误差修正能力分析 [J]. 情报指挥控制系统与仿真
[3] 付梦印,邓志红,张继伟. Kalman 滤波理论及其在导航系
技术,2005(10):96-100.
统中的应用[M]. 北京: 科学出版社,2003.
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张学翠,等:GPS/INS 组合导航技术研究
度误差,东向速度误差,北向速度误差,东向失准角,北向失 准角,方位失准角,加速度计东向零偏,加速度计北向零偏, 陀螺东西漂移,陀螺北向漂移,陀螺天向漂移。
AINS 为 INS 的系统状态转移矩阵,WINS 为系统噪声矩阵, 是方差阵为 QINS 的零均值白噪声,

分别为 GPS 的纬度误差,经度误差,东向速度误差和北向速
度误差。选择 INS 和 GPS 的位置、速度之差为量测量,即
量测矩阵 HINS=[I4×4 04×8],VGPS 是 GPS 的量测噪声,是协 方差阵为 RGPS 的零均值白噪声。
2.3 卡尔曼滤波模型及其基本方程
将式(1)和式(9)离散化可得卡尔曼滤波模型: (10)
离散卡尔曼滤波模型的基本方程为[2]
(11)
状态一步预测
(12)
状态估计
(13)
一步预测均方误差
估计均方误差
(15) (16)
其中,Xk 是 k 时刻的状态,X赞 k-1 是状态 Xk-1 的卡尔曼估计
值,X赞 k|k-1 是由X赞 k-1 计算得到的 Xk 的一步预测,Φk,k-1 是从 k-1 时刻到 k 时刻的一步状态转移矩阵,Hk 是 k 时刻的量测矩 阵,Zk 是 k 时刻的测量值,Kk 是 k 时刻的增益矩阵,Pk 为 k 时 刻的估计均方误差,Pk|k-1 是一步预测误差方差阵。
表 2 INS 卡尔曼滤波仿真 3 000 s 时各变量的估计精度
状态变量 δV(E m/s)δV(N m/s) 准(E )' 精度值 0.05 0.05 0.08
准(N )' 0.1
准(U )' 6.8


状态变量 (E mg) (N mg) ε(E °/h) ε(N °/h) ε(U °/h) 精度值 0.000 7 0.000 1 0.025 0.005 5 0.039
Vol. 39,Supplement Jul,2014
文章编号:1002-0640(2014)增刊 -0200-03
火力与指挥控制 Fire Control & Command Control
GPS/INS 组合导航技术研究
第 39 卷 增刊
张学翠 1,张春涛 1,薛晓晶 1,秦联民 2,卢 波 2 (1. 北方自动控制技术研究所,太原 030006;2. 解放军 71375 部队,山东 潍坊 261208)
2 卡尔曼滤波仿真模型的建立[1,3]
2.1 状态方程的建立
GPS/INS 组合导航系统的状态方程可用一阶微分方程来 描述
(1) 状态变量
,其中各变量分别为 INS 的纬度误差,经
收稿日期:2014-05-18
修回日期:2014-06-21
作者简介:张学翠(1983- ),女,河南南阳人,工程师。研究方向:定位定向导航,军用计算机技术。
(1°)2 (100 μg)2 (100 μg)2 (0.02 °/h)2 (0.02 °/h)2 (0.02 °/h)2]T QINS=[(50 μg)2 (50 μg)2 (0.01 °/h)2 (0.01 °/h)2 (0.01 °/h)2 0 0 0 0 0 0 0]T RGPS=[(10 ')' 2 (10 ')' 2 (0.04 m/s)2 (0.04 m/s)2]T 仿真时间 t=4 000 s,各个变量误差估计曲线如下页 图 2 所示,选取 3 000 s 时各个变量的误差进化度值,得到表 1。同时,用同样的参数对 INS 导航进行卡尔曼滤波仿真,各 个变量误差估计曲线如下页图 3 所示,选取 3 000 s 时各个 变量的误差进化度值,得到表 2。 表 1 GPS/INS 卡尔曼滤波仿真 3 000 s 时各变量的估计精度
Abstract:Integrcted navigation system is developed with the development of GPS and INS technology Kalman filter is applied in the simulation of GPS/INS integrated navigation. Comporred the simulation result of GPS/INS integrated navigation and INS navigation,the error accuracy of GPS/INS integrated navigation that has been filtered is improved obvionsly and superior to INS navigation.
状态变量 δL(')' δλ(')' δN(E ')' δV(N ')' 准(E ')' 准(N ')'
精度值 10
8 0.02 0.02 0.35 0.35


状态变量 准(U ')' (E mg) (N mg) ε(E °/h) ε(N °/h) ε(U °/h)
精度值 5
0.1 0.1 0.022 0.000 4 0.002 3
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火力与指挥控制
2014 年 增 刊
图 2 GPS/INS 卡尔曼滤波仿真各状态变量的估计误差曲线
图 3 INS 卡尔曼滤波仿真各状态变量的估计误差曲线
[M]. 西安:西北工业大学出版社,1998.
[4] 秦永元. 惯性导航[M]. 北京:科学出版社,2006.
[2] 刘 俊,石云波,李 杰. 微惯性技术[M]. 北京: 电子工 [5] 张 源,许江宁,卞鸿巍. GPS 姿态测量系统对惯性导航
3 仿真结果
卡尔曼滤波采用 MATLAB7.0 进行仿真,采样周期 T=1 s, 选取初始纬度和经度误差为 30 '',速度误差为 0.1 m/s,初始失 准角为 1°,加速度计常值零偏为 100 μg,随机偏置为 50 μg,陀 螺仪常值漂移为 0.02 °/h,随机漂移为 0.01 °/h。
卡尔曼滤波初值如下, P(0)INS=[(30 ')' 2 (30 ')' 2 (0.1 m/s)2 (0.1 m/s)2 (1°)2 (1°)2
1 系统组成
GPS/INS 组合导航系统对同一信息源作测量,从这些测量
值的比较值中提取出各系统的误差并校正之。GPS/INS 组合导 航系统采用松散组合方式,选用的测量值是位置和速度之差, 采用卡尔曼滤波进行误差校正,系统原理图如图 1 所示。
图 1 GPS/INS 位置、速度组合系统原理 系统启动时由 GPS 提供初始信息,在导航过程中提供位 置信息,INS 系统可提供姿态和航向,并由积分运算解算出位 置信息。当 GPS 丢星或被遮挡时,可以由 INS 提供定位和导 航信息。
4结论
由图 2 和图 3 可以看出,卡尔曼滤波趋于收敛。由表可 知,GPS/INS 组合导航系统使得各个状态变量的估计误差得 到了很大改善。由表 1 和表 2 比较看出,GPS/INS 组合导航系 统相对于 INS 在提高速度误差、方位失准角角和陀螺漂移精 度方面有明显优势。
参考文献:
增益滤波
(14) [1] 秦永元,张洪钺,汪叔华. 卡尔曼滤波与组合导航原理
摘 要:随着 GPS 和 INS 技术的发展,组合导航系也逐渐成熟。采用卡尔曼滤波对 GPS/INS 组合导航系统进行
仿真,并将仿真结果和 INS 仿真结果相比较得出,GPS/INS 组合导航系统经过滤波的误差估计精度得到了显著提高,
并比 INS 单一导航有明显优势。
关键词:ຫໍສະໝຸດ BaiduPS,INS,组合导航,卡尔曼滤波
中图分类号:V249
文献标识码:A
The Reseach of GPS/INS Integrated Navigtion Technology
ZHANG Xue-cui1,ZHANG Chun-tao1,XUN Xiao-jing1,QIN Lian-min2,LU Bo2 (1. North Automation Control Technology Institute,Taiyuan 030006,China;2. 71375 Troops of PLA,Weifang 261208,China)
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