[论文精品] 卡尔曼滤波在insgps组合导航中的应用研究 文献综述报告

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1、卡尔曼滤波在INS/GPS组合导航中的应用研究一、前言GPS和惯性系统都是目前世界上先进的导航系统，二者各有优缺点。惯导系统具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射强、全天候等优点，是机载设备中能提供多种较精确的导航参数信息的设备，但是存在着误差随时间迅速积累增长的问题，这是惯导系统的主要缺点。与惯导系统相比，GPS定位的显著优点是其高精度和低成本。尤其是利用GPS卫星信号的高精度载波相位观测量进行定位。但是在GPS导航定位应用中也存在动态环境中可靠性差，定位数据输出频率低的问题。利用INS和GPS导航功能互补的特点，以适当

2、的方法将两者组合，可以提高系统的整体导航精度及导航性能。所谓滤波就是从混合在一起的诸多信号中提取出所需要的信号。估计理论的研究对象是随机现象。一个系统的运动轨迹是与系统的初始状态和控制作用的性质、大小有关的。但在实际系统中，除了已知的控制作用以外，经常有一些外界的杂散信号对系统起作用，如在雷达跟踪系统接收的信号中，有很大一部分随机信号，导弹飞行过程中，由于环境等条件的改变而受到随机信号影响等，通常称这一类信号为噪声。因此在设计自动控制系统时，除了考虑控制作用外，还必须了解噪声的性质、大小，然后通过适当的结构，抑制或滤掉噪

3、声对系统的影响。只有对系统的状态做到充分精确地估计，才能保证系统按照最佳的方式运行。当系统中有随机噪声干扰时，系统的综合就必须同时应用概率和数理统计方法来处理。也就是在系统的数学模型已建立的基础上，通过对系统输入、输出数据的测量，利用统计方法对系统本来的状态进行估计，此类问题就是滤波问题，卡尔曼滤波其就是为实现这一目的而设置的。二、卡尔曼滤波与组合导航系统将航行体从起始点导引到目的地的技术或方法称为导航。能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体位置、速度、航向、姿态等即时运动状态的系统都可作为导航系统。随着科学技术的发展

4、，导航逐渐发展成为一门专门研究导航方法原理和导航技术装置的学科。在汽车、舰船、飞机、导弹、宇宙飞行器等移动目标上，导航系统越来越成为必不可少的重要设备。按照近代科技术语，导航的主要工作就是定位、定向、授时和测速，导航时需要连续提供此类信息，运动越快，更新越快，但精度要求不很高。相比而言，高精度定位则是导航的另一个极端情况，虽然也定位甚至定向，但并不要求实时性，而对精度要求很高(cm级或mm级)。能测得上述导航参数、完成导航任务的物理原理和技术方法很多，因此随之出现了各种类型的导航系统，例如卫星导航系统、惯性导航系统、无线

5、电导航系统等等。1.惯性导航系统惯性导航系统(INS，InertialNavigationSystem)是20世纪初发展起来的。基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺仪、加速度计等惯性元件感受运动物体在运动过程中的角速度和加速度，然后通过计算机进行积分运算，从而得到移动目标的位置与速度等导航信息。惯性导航系统根据惯性原理工作，而惯性是任何质量体的基本属性，所以惯导系统工作时不需要任何外来信息，也不向外辐射任何信息，仅靠系统本身就能在全天候条件下，在全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行三维空间定位

6、和三维空间定向，能够提供反映航行体完整运动状态的完整信息，并且，惯导系统具有极宽的频带，它能够跟踪和反映航行体的任何机动运动，输出又比较平稳，短期稳定性好。正由于惯导系统的自主性、隐蔽性、信息的全面性和宽频带，所以是重要航行体必不可少的导航设备。但惯性导航系统有其固有的缺点：导航精度随时间而发散，即长期稳定性差。根据INS自身的积分原理，INS定位误差随时间平方积累。惯导系统的误差源主要包括元件误差、安装误差、初始对准误差和运动干扰误差等，其中陀螺漂移是带来误差的主要原因。2.全球卫星系统全球卫星定位系统(GPS,Glo

7、balPositioningSystem)是美国国防部研制的第二代卫星导航系统，具有全球性、全天候、高精度、三维定位等优点。它由导航星座、地面控制站和用户定位接收机组成。GPS自诞生以来，它的高精度、全球性和实时性就受到了人们的高度重视，它所提供的位置和速度等导航参数的精度也基本可以达到广大用户的需求。但同任何一种导航方法相比，它也存在问题。它的主要缺点有：1)GPS为非自主式导航系统，依赖于卫星的无线电信号，容易受到地形地物的遮挡而引起定位中断。2)动态环境中可靠性差，易发生信号失锁和跳变，不能确保定位的连续性。3)在

8、电子作战环境中易受干扰和电子欺骗等影响。4)数据采集频率较低。通过比较得到，INS与GPS之间有很强的互补性，具体体现在：1)GPS属于非自主式导航系统，其接收机天线可能被遮挡造成信号暂时丢失定位中断。而INS是完全自主式导航系统，其导航信息不受外界干扰，无信号遮挡问题，可提供连续的导航信息。2)GPS定位精度较高，