多天线GPS2fINS组合导航系统算法分析

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1、第1章绪论1．1背景如图(1．1)所示，试验场中有雷达B、反辐射导弹诱偏系统A(由3个子系统A1、A2、A3组成)。图1．1系统任务示意图如图，载体携带导引头由20km外逐渐接近试验场，导引头将指向雷达和诱偏系统辐射的能量中心C，我们的目的是在载体逐渐接近试验场的过程中，确定导引头指向落点的位置，再把这个落点反映在电子地图中，这样就能较直观的看到导引头指向落点的位置。随着全球定位系统(GlobalPositioningSystem简称GPS)的不断发展，该系统主要是能基本完成全球覆盖，地域广，不受天气影响，并有三维导航定位能力，其军用频段抗干扰性强，

2、保密性好，在军事方面有良好的应用，比如机载实验、飞机导航，或者导弹实验中。同时GPS也广泛的应用于民用和个人领域中，(例如船舶远洋、汽车导航以及个人旅游和探险中)，这些都产生了巨大的效益，但是GPS同样也有它的不足之处：(1)民用方面的抗干扰性能不足；(2)18+3星座对地球的覆盖不完善，特别是对中纬度地区；(3)GPS接收机工作受载体机动的影响，当载体的机动速度超过GPs接收机允许的动态响应范围后，GPS接收机不能正常工作；或者动态误差过大，超过允许值，不能正常使用：(4)如果应用在自主控制设备中，由于GPS接收机数据更新频率较低(我们目前哈尔滨工

3、程大学硕士学位论文能使用的为民用精度产品，其数据发送频率一般为每秒一次)，1秒的时间间隔，将难以满足实时控制要求。这样一来，GPS在军事方面的应用就受到了很大的限制。惯性导航系统(简称INS)，是一种完全自主式的导航系统，它依靠载体自身设备(惯性平台或虚拟平台)独立地完成导航任务，并能够输出位置、速度和姿态等多种导航信息，由于自主导航，其与外界不发生任何光、电联系，因此隐蔽性较好，工作不受气象条件和外界干扰的限制。惯导系统的这些优点，使其成为航天、航空和航海领域中使用的一种的主要导航方式。但是它的最大缺点是误差(尤其是位置误差)随时问积累，冈而难以长

4、时间独立地稳定工作，这样单独使用惯性导航系统不宜作远距离导航。为了克服这些缺点，我们利用GPS的定位导航功能对INS进行修正，以适当的方式将GPS的定位功能与ⅢS的测速测姿功能组合，可以达到提高惯导系统的整体导航精度及导航性能的目的。将GPS接收机作为惯性导航系统的一种辅助导航设备是比较理想的选择，GPS和INS组合系统是现阶段较为理想和易实现的导航系统。卡尔曼滤波应用在组合导航算法的研究中，主要是利用GPS的位置信息和速度信息作为参考，来估计出惯性导航系统的误差。随着近些年来GPS应用的不断深入，GPS也可以进行载体的姿态测定，所以现阶段可以通过将

5、GPS载体姿态输出作为观测量参，融合如卡尔曼滤波算法中，达到提高导航精度的目的。目前，已经有完全依靠GPS来取代纯惯性导航系统的趋势，主要指民用方面。作为组合导航算法的主要滤波方式，含有GPS信息的卡尔曼滤波为其提供了直接、可观测的姿态测量参数，而非传统意义上的卡尔曼滤波算法下通过状态协方差方程估计从而获得间接的观测。GPS在惯导系统输出参数的辅助下，一定程度上提高其捕获、跟踪和再捕获能力，惯导系统的姿态、位置信息也可用来帮助GPS系统解算它的整周模糊度，实现更迅速、更及时的定位。由于二者互补，并能提高精度，GPS／INS这种组合模式被广泛用于组合导

6、航系统。目前，多个单GPS组合系统可以实时的、连续的、可靠的为用户提供被测地点的坐标、速度、姿态和时问信息，我们把GPS接收机受到卫星钟差、大气层和电离层参数的影响而测量得到的含有误差的，卫星到接收机的距离称之为“伪距”。利用码相位解算得到伪距的方法应用最早，其GPS单点定位精度较差，误差在100m左右(C／A码，民用)。随着利用GPS信号确定载体姿态成为显示，就可以在传统的利用位置、速度组合的基础上加入姿态信号，以进一步提高导航参数的精度。惯性导航系统是通过测量载体的加速度，推算出载体的瞬时速度和位置，角加速度计(陀螺仪)测量载体的姿态。本文就是利

7、用GPS／INS这一组合系统分别来测量载体的姿态，然后进行姿态组合，再与位置、速度组合，进一步提高导航参数的精度【l。3】。第1章绪论1．2GPS／INS组合系统现状从20世纪80年代开始，各国科学家开始对GPS／INS组合系统展开研究，GPS接收机与惯导系统的组合，可以分不同深度综合，按照其综合的深度，将系统大体分为两类，一类称之为松散综合，另一类称之为深综合。松散综合的丰要特点是GPS和惯导仍然各自独立工作，组合作用仅表现在使用GPS信息来辅助惯导导航；深综合主要特点是GPS接收机和惯导系统的信息通过一定的算法巨相辅助。深综合的基本模式分为伪距和

8、伪距率的综合，在伪距和伪距率综合的基础上使用惯导输出的位置和速度对GPs接收机进行辅助修正，可以提高GPs接