组合导航算法设计

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1、INS/GPS组合导航算法设计1引言目前单一导航系统难以满足实际要求，把两种或多种导航系统组合起来，应用最优估计理论，形成最优组合导航系统，使组合后的导航系统在精度和可靠性都有所提高。本课题研究飞行器GPS/INS组合导航算法，通过对飞行器INS/GPS组合导航算法设计，以VC++6.0为平台组建1NS/GPS组合导航仿真系统，对组合导航算法进行实现。并对飞行器的飞行状态进行仿真，仿真前预先设定飞行器的飞行参数（包括平飞、加速、减速、上升、下降、转弯等飞行动作以及每个动作开始结束的时间），通过设计的组合导航仿真系统得到飞行器的位置、速度

2、、姿态角信息。并通过MATLAB对INS/GPS组合导航解算出来的数据与预先设定的实际飞行数据进行比较分析。惯性导航系统的优点是：（1）口主性强，它可以不依赖任何外界系统得支持,单独进行导航。（2）不受环境、载体运动和无线电干扰的影响，可连续输出包括基准在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。（3）具备很好的短期精度和稳定性。其主要缺点是导航定位误差随时间增长，难以长时间的独立工作。全球定位系统是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，其导航定位的全球性、高精度、误差不随实践积累的优点，但是GPS系统也存在一些不足之处，主要是：G

3、PS接收机的工作受飞行机动影响，当载体的机动超过GPS接收机的动态范围时，GPS接收机会失锁，从而不能工作，或者动态误差过大，超过允许值，不能使用。且GPS接收机的更新频率较低（1HZ）,难以满足实时控制的要求。抗干扰能力差。此外GPS导航受制于人。因此GPS系统一般作为理想的辅助导航设备使用。GPS/惯性组合导航，克服了各自的缺点，取长补短，可以构成一个比较理想的导航系统，GPS/惯性组合导航可以大大降低导航系统的成本。随着MEMS技术的发展，惯导成本的降低都是组合导航系统发展的优势所在。我们用组合导航算法将惯性导航单元的信息和GPS

4、的信息进行综合，来补偿惯性元件的误差，修正速度、姿态信号，从而构成一个精度适中、结构紧凑、成木低廉的导航系统。可用于飞行器的导航。2INS/GPS组合系统主要功能和算法选择INS/GPS组合导航系统的主要功能为：a）实时测量飞行器的角速率、加速度、速度、位置以及姿态，完成测量信息的采集和处理；b）完成惯性导航解算;c）完成惯性/卫星组合导航解算。滤波器算法选择组合滤波器是组合导航系统的核心，其本身性能的优劣将直接影响组合导航的质量。Kalman滤波算法是最为常用和成熟的滤波算法，它作为一种现代最优估计理论，采用了状态空间和递推计算形式，

5、可对一般线性系统进行线性最小方差估计，并且具有数据存储量小，易于计算机实现等优点，在INS/GPS组合导航领域获得了广泛的应用。因此系统采用集中式Kalman滤波器进行惯性导航系统和GPS测量与导航信息的综合。3组合卡尔曼滤波算法设计组合卡尔曼滤波器设计的主要内容包括：确定真实系统的状态；列写系统状态方程；列写量测方程；编制滤波仿真程序；设计降阶滤波器。组合导航系统的实现和组合效果的充分发挥，很大程度上决定于状态的选择、模型方程的建立和简化、参数的选择和滤波算法设计等。组合卡尔曼滤波器设计的主要步骤包括：1、针对所选择的系统和测量方法，

6、确定系统状态，以及尽可能真实地描述系统动态特性的状态方程和量测方程；2、根据系统噪声和量测噪声的统计特性，确定噪声的方差强度阵0和R；3、连续系统离散化；4、确定滤波方程的计算方法；5、编制仿真计算程序，模拟滤波效果，初步确定滤波周期及系统其他参数,按状态协方差阵校核组合系统达到的精度；6、在组合系统满足任务要求精度的前提下，设计导航计算机简化滤波计算方法。3.1组合模式设计GPS接收机和惯性导航系统选用基于位置、速度的松组合方式。图3・1为位置、速度信息组合的原理框图。用GPS和惯导各自输出的位置和速度信息差值作为量测值，经组合卡尔曼

7、滤波，估计惯性器件和惯性导航的课差，然后对器件误差和导航误差进行校正，以提高惯性导航的精度。图3-1位置、速度组合原理图松组合中，GPS和惯导仍独立工作，组合作用主要表现为用GPS辅助惯导;组合系统的输出是通过融合GPS的导航输出和SINS的导航输出而得到；能提供冗余度，有界的位置、速度和姿态估计，还提供高数据刷新率的与制导控制方程相配的平动和转动信息。位置、速度信息组合的主要优点是组合工作比较简单，便于工程实现；而且两个系统仍可独立工作，使导航信息有一定余度。3.2INS/GPS组合导航系统的估计方法组合导航系统利用间接法进行导航参数

8、的估计。间接法以组合导航系统中某一导航系统输出的导航参数的误差为滤波器状态，滤波器估值的主要部分是导航参数误差估值，然后用估值校正状态。间接法估计时一般系统方程和量测方程是线性的。图3・2给出了SINS/G