最新第8章-组合导航系统ppt课件.ppt

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1、第8章-组合导航系统第八章船用惯性导航系统与GPS的组合本章内容安排概述船用惯性导航系统卡尔曼滤波器GPS/INS组合导航双差分GPS/INS组合导航系统推算船位与GPS的组合船用惯性导航系统加速度计测量的是比力，即载体惯性力与地球引力之差：表示从惯性坐标系i到地理坐标系n的方向余弦矩阵，以下类同；r为载体的地心位置矢量；G为地球引力。地理坐标系内的速度及加速度：则：及分别代表载体运动的哥氏加速度项和离心加速度项；为地球引力与离心力之差，即重力。船用惯性导航系统考虑在地球表面运动的船舶，忽略垂直速度得到一次积分：

2、第二次积分：、、分别表示速度矢量、纬度及经度的初始值。船用惯性导航系统船用捷联式惯导系统捷联式惯性导航系统就是将惯性敏感元件直接安装在运载体上，不再需要稳定平台和常平架结构的惯导系统。它通过计算机内的姿态矩阵实时解析计算，起到“数学解析平台”的作用，把惯性导航系统中加速度计测量到的比力信息，转换到导航动参考坐标系，并从姿态矩阵的有关元素中提取舰船的姿态角（艏向角、横摇角和纵摇角）。船用惯性导航系统船用惯性导航系统误差方程的推导平台姿态误差方程陀螺漂移在地理坐标系的投影：平台惯导：捷联惯导：船体坐标系到地理坐标系的

3、方向余弦阵：船用惯性导航系统速度误差方程采用摄动法，得到速度误差方程：重力无异常时，的反对称矩阵比力误差在地理坐标系的投影，主要是由加速度计零位误差▽和平台（或捷联式惯导的“数学平台”）偏离地理坐标系所致船用惯性导航系统位置误差方程:采用摄动法，直接得到位置误差方程：卡尔曼滤波器卡尔曼滤波算法是一种线性最小方差估计的递推算法，相对其它几种最优估计方法，卡尔曼滤波具有如下特点：算法是递推的采用动力学方程描述被估计量的动态变化规律卡尔曼滤波具有连续型和离散型两类算法卡尔曼滤波器离散系统的卡尔曼滤器量测方程动态方程状态

4、预测估计状态估计方差迭代滤波增益方差预测卡尔曼滤波器卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。计算估计的均方误差阵有三种等价形式：卡尔曼滤波估计是无偏估计与成正比，而与成反比卡尔曼滤波的性质卡尔曼滤波器白噪声情形下一般线性系统滤波预测计算滤波计算滤波增益滤波误差协方差预测误差协方差动态方程量测方程GPS/INS组合系统在船用惯性导航系统的使用中，通过对常值陀螺漂移的补偿，消除了常值陀螺漂移造成的系统位置、速度和姿态误差，但随机漂移的影响依然存在。惯导和GPS组合滤波，在对系统输出作最优估计的同时，还可对随

5、机的漂移进行估计和补偿，从而提高惯导系统本身的精度。GPS/INS组合系统惯导系统的误差方程状态方程GPS/INS组合系统采用GPS伪距误差为观测量，因此需对GPS接收机的时钟偏差进行估计。时钟偏差用一阶马尔可夫过程描述：为白噪声于是，选择状态变量为:组合系统的状态方程可以描述为:其中GPS/INS组合系统测量方程GPS伪距表达式为:采用变分法,导出伪距误差方程：为GPS接收机时钟偏差等效的距离误差，为测量白噪声其中把伪距误差表示成经纬度坐标系中的位置误差、的函数有下式成立：GPS/INS组合系统对舰船高度不进行

6、估计,观测方程为：：GPS接收机输出的用户至第i颗卫星的伪距；：惯导的定位信息和卫星星历提供的卫星位置所确定的伪距；：高斯白噪声。双差分GPS/INS组合导航系统差分GPS技术是利用GPS定位误差的相关特性，消去公共误差源的影响，从而达到提高定位精度的目的。伪距双差分GPS的数学模型：载波相位双差分GPS的数学模型:双差分GPS/INS组合导航系统状态方程：观测方程：用户接收机的位置误差、、表示观测方程：双差分GPS/INS组合导航系统的设计推算船位与GPS的组合推算船位和GPS构成的组合系统，由于其状态方程不再

7、是线性的，因而必须采用推广的卡尔曼滤波器处理。推广卡尔曼滤器推广的卡尔曼滤波器是通过对现时状态估计进行线性化的方法，解决非线性系统的滤波问题。应当指出，推广的卡尔曼滤波器实际上并不是最优的，使用时仍有可能发散。但由于它与普通卡尔曼滤波器的相似性，一般把推广的卡尔曼滤波器作为对任意非线性滤波问题首先试用的方法之一。推广卡尔曼滤器非线性系统的推广卡尔曼滤波递推初值推广卡尔曼滤器推广卡尔曼滤器结构图i.c.uttki.c.增益更新状态更新协方差更新状态模型ut协方差模型观测输出kt推算船位与GPS的组合推算船位与GPS

8、组合系统建模舰船运动的动态方程:矢量形式：推算船位与GPS的组合初始条件状态转移矩阵当采样间隔较短时，H与S通常变化很小，可以近似为常值推算船位与GPS的组合根据水面舰船的常规配置，选择电磁计程仪的速度VL、电罗经的航向信息HG以及GPS的位置信息、作为观测变量，其中位置信息需转换到地球坐标系：观测方程：式中Vi（i=1，2，3，4）为测量噪声，反映观测量的随机干扰特性。