組合導航算法設計

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1、INS/GPS組合導航算法設計1引言目前單一導航系統難以滿足實際要求，把兩種或多種導航系統組合起來，應用最優(yōu)估計理論，形成最優(yōu)組合導航系統，使組合后的導航系統在精度和可靠性都有所提高。本課題研究飛行器GPS/INS組合導航算法，通過對飛行器INS/GPS組合導航算法設計，以VC++6.0為平臺組建1NS/GPS組合導航仿真系統，對組合導航算法進行實現。并對飛行器的飛行狀態(tài)進行仿真，仿真前預先設定飛行器的飛行參數（包括平飛、加速、減速、上升、下降、轉彎等飛行動作以及每個動作開始結束的時間），通過設計的組合導航仿真系統得到飛行器的位置、速度

2、、姿態(tài)角信息。并通過MATLAB對INS/GPS組合導航解算出來的數據與預先設定的實際飛行數據進行比較分析。慣性導航系統的優(yōu)點是：（1）口主性強，它可以不依賴任何外界系統得支持,單獨進行導航。（2）不受環(huán)境、載體運動和無線電干擾的影響，可連續(xù)輸出包括基準在內的全部導航參數，實時導航數據更新率高。（3）具備很好的短期精度和穩(wěn)定性。其主要缺點是導航定位誤差隨時間增長，難以長時間的獨立工作。全球定位系統是一種高精度的全球三維實時導航的衛(wèi)星導航系統，其導航定位的全球性、高精度、誤差不隨實踐積累的優(yōu)點，但是GPS系統也存在一些不足之處，主要是：G

3、PS接收機的工作受飛行機動影響，當載體的機動超過GPS接收機的動態(tài)范圍時，GPS接收機會失鎖，從而不能工作，或者動態(tài)誤差過大，超過允許值，不能使用。且GPS接收機的更新頻率較低（1HZ）,難以滿足實時控制的要求?？垢蓴_能力差。此外GPS導航受制于人。因此GPS系統一般作為理想的輔助導航設備使用。GPS/慣性組合導航，克服了各自的缺點，取長補短，可以構成一個比較理想的導航系統，GPS/慣性組合導航可以大大降低導航系統的成本。隨著MEMS技術的發(fā)展，慣導成本的降低都是組合導航系統發(fā)展的優(yōu)勢所在。我們用組合導航算法將慣性導航單元的信息和GPS

4、的信息進行綜合，來補償慣性元件的誤差，修正速度、姿態(tài)信號，從而構成一個精度適中、結構緊湊、成木低廉的導航系統?？捎糜陲w行器的導航。2INS/GPS組合系統主要功能和算法選擇INS/GPS組合導航系統的主要功能為：a）實時測量飛行器的角速率、加速度、速度、位置以及姿態(tài)，完成測量信息的采集和處理；b）完成慣性導航解算;c）完成慣性/衛(wèi)星組合導航解算。濾波器算法選擇組合濾波器是組合導航系統的核心，其本身性能的優(yōu)劣將直接影響組合導航的質量。Kalman濾波算法是最為常用和成熟的濾波算法，它作為一種現代最優(yōu)估計理論，采用了狀態(tài)空間和遞推計算形式，

5、可對一般線性系統進行線性最小方差估計，并且具有數據存儲量小，易于計算機實現等優(yōu)點，在INS/GPS組合導航領域獲得了廣泛的應用。因此系統采用集中式Kalman濾波器進行慣性導航系統和GPS測量與導航信息的綜合。3組合卡爾曼濾波算法設計組合卡爾曼濾波器設計的主要內容包括：確定真實系統的狀態(tài)；列寫系統狀態(tài)方程；列寫量測方程；編制濾波仿真程序；設計降階濾波器。組合導航系統的實現和組合效果的充分發(fā)揮，很大程度上決定于狀態(tài)的選擇、模型方程的建立和簡化、參數的選擇和濾波算法設計等。組合卡爾曼濾波器設計的主要步驟包括：1、針對所選擇的系統和測量方法，

6、確定系統狀態(tài)，以及盡可能真實地描述系統動態(tài)特性的狀態(tài)方程和量測方程；2、根據系統噪聲和量測噪聲的統計特性，確定噪聲的方差強度陣0和R；3、連續(xù)系統離散化；4、確定濾波方程的計算方法；5、編制仿真計算程序，模擬濾波效果，初步確定濾波周期及系統其他參數,按狀態(tài)協方差陣校核組合系統達到的精度；6、在組合系統滿足任務要求精度的前提下，設計導航計算機簡化濾波計算方法。3.1組合模式設計GPS接收機和慣性導航系統選用基于位置、速度的松組合方式。圖3?1為位置、速度信息組合的原理框圖。用GPS和慣導各自輸出的位置和速度信息差值作為量測值，經組合卡爾曼

7、濾波，估計慣性器件和慣性導航的課差，然后對器件誤差和導航誤差進行校正，以提高慣性導航的精度。圖3-1位置、速度組合原理圖松組合中，GPS和慣導仍獨立工作，組合作用主要表現為用GPS輔助慣導;組合系統的輸出是通過融合GPS的導航輸出和SINS的導航輸出而得到；能提供冗余度，有界的位置、速度和姿態(tài)估計，還提供高數據刷新率的與制導控制方程相配的平動和轉動信息。位置、速度信息組合的主要優(yōu)點是組合工作比較簡單，便于工程實現；而且兩個系統仍可獨立工作，使導航信息有一定余度。3.2INS/GPS組合導航系統的估計方法組合導航系統利用間接法進行導航參數

8、的估計。間接法以組合導航系統中某一導航系統輸出的導航參數的誤差為濾波器狀態(tài)，濾波器估值的主要部分是導航參數誤差估值，然后用估值校正狀態(tài)。間接法估計時一般系統方程和量測方程是線性的。圖3?2給出了SINS/G