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GPS/INS组合导航系统研究

作　者: 黄兵超
导　师: 李纲
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 惯性导航系统全球定位系统组合导航卡尔曼滤波噪声修正
分类号: V249.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

惯性导航系统(INS)是一种自主式导航系统,可以连续提供多种导航信息,短时间内运行的精度较高,然而其定位误差随时间积累,长时间精度较差。全球定位系统(GPS)长期误差特性较好,但是短期误差精度不好。因此以GPS/INS为组合方式的组合导航系统能够取长补短,是一种理想的导航系统。论文以某专项基础研究项目为背景,以GPS/INS组合导航系统为研究对象,着重解决系统设计中的应用问题。本文简要介绍了组合导航中用到的坐标系,坐标系之间的关系,研究了GPS和INS的导航定位基本原理,在此基础上,分析定位误差来源,推导了组合导航系统的误差模型。对卡尔曼滤波进行深入研究,分析系统噪声和量测噪声对滤波的影响,以新息为基础,对滤波发散做出判决,并对量测噪声修正,提出一种噪声修正自适应卡尔曼滤波算法,仿真结果表明新算法较常规卡尔曼滤波有较强的机动性,有效抑制滤波发散,滤波精度明显提高。研究了GPS/INS组合导航系统,确定了组合模式,建立以伪距、伪距率为观测量的紧组合导航模型,仿真结果表明组合导航系统的位置和速度精度有明显提高。在紧组合导航模型基础上,提出增加姿态角观测量,建立姿态角误差量测模型,仿真结果表明新模型可以明显提高导航的姿态角精度。利用所设计的组合导航系统进行了跑车实验,验证了组合导航模型和滤波算法的有效性。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章绪论  10-16
  1.1 引言  10-11
  1.2 组合导航的国内外研究现状  11-12
  1.3 GPS/INS 组合的优势  12
  1.4 GPS/INS 组合导航的技术研究路线  12-14
  1.5 本论文的主要研究内容  14-16
第二章组合导航定位系统基础  16-32
  2.1 引言  16
  2.2 常用坐标系及转换关系  16-19
    2.2.1 常用坐标系  16-17
    2.2.2 坐标系间的转换关系  17-19
  2.3 GPS 卫星定位系统  19-22
    2.3.1 GPS 系统的构成  19-20
    2.3.2 GPS 导航电文及卫星信号  20-21
    2.3.3 GPS 系统定位的基本原理  21-22
  2.4 惯性导航系统  22-29
    2.4.1 比力和惯导系统的基本方程  24-25
    2.4.2 四元数与姿态矩阵  25-26
    2.4.3 姿态角提取  26-27
    2.4.4 速度计算  27-28
    2.4.5 位置计算  28-29
  2.5 GPS/INS 组合导航的模式  29-32
    2.5.1 松散组合  29-31
    2.5.2 紧密组合  31-32
第三章 GPS/INS组合导航系统误差建模  32-39
  3.1 引言  32
  3.2 惯性导航系统的误差分析  32-35
    3.2.1 确定性误差  32-34
    3.2.2 随机性误差  34-35
  3.3 GPS 误差和误差模型  35-39
    3.3.1 GPS 的主要误差源  35-38
    3.3.2 GPS 随机误差模型  38-39
第四章 GPS/INS组合导航滤波算法  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 常规卡尔曼滤波算法  39-43
    4.2.1 卡尔曼滤波的理论基础  39
    4.2.2 常规Kalman 滤波方程  39-42
    4.2.3 卡尔曼滤波的特点  42
    4.2.4 卡尔曼滤波的发散问题  42-43
  4.3 噪声修正自适应卡尔曼滤波算法  43-50
    4.3.1 观测序列存在野值的处理方法  44
    4.3.2 噪声修正自适应卡尔曼滤波算法  44-50
第五章 GPS/INS组合导航系统实现  50-74
  5.1 引言  50
  5.2 紧组合导航系统建模及仿真  50-58
    5.2.1 紧组合导航系统建模  50-55
    5.2.2 紧组合导航系统仿真  55-58
  5.3 含姿态角误差量测模型的建模与仿真  58-66
    5.3.1 含姿态角误差量测模型的建模  58-63
    5.3.2 含姿态角误差量测模型的仿真  63-66
  5.4 组合导航系统跑车实验设计  66-74
    5.4.1 组合导航系统跑车实验总体设计  66-67
    5.4.2 组合导航系统硬件设计  67-69
    5.4.3 组合导航系统软件设计  69-71
    5.4.4 跑车实验  71-74
结束语  74-75
致谢  75-76
参考文献  76-79
作者在学期间取得的学术成果  79

GPS/INS组合导航系统研究

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