基于GPS和INS组合定位导航算法技术综述讲解.doc

基于GPS和INS组合定位导航算法技术综述 导航是引导载体从出发点按照一定的路径或者轨迹行进到目标点的技术或方法，实现上述引导功能的硬件设备及相应的配套软件统称为导航系统。随着文明的发展、科技的进步，导航技术的发展也经历了由开始时的无线电导航、天文导航到如今的惯性导航、卫星导航以及多种导航技术有机结合而成的组合导航，其中惯性导航和卫星导航技术被广泛的应用在制导武器、战斗机、舰艇等国防武器装备上，在载人航天、深海潜行等高精尖技术领域，导航系统更是必不可少的重要设备，载体的即时位置、速度和姿态信息是导航所需的最基本信息[1][2]。 1.1 捷联惯性导航系统 依据牛顿经典力学中的惯性原理，惯性导航系统(INS，Inertial Navigation System)在20世纪50年代研制成功，它利用陀螺和加速度计这两个惯性敏感器件测量运动载体的角速度信息和加速度信息，然后通过积分计算得到载体的位置、速度和姿态角等导航参数[3]。在工作过程中，INS不与外界发生任何联系，依靠载体自身设备即可完成导航工作，具有很强的工作自主性和隐蔽性，在军事上得到了一种绝对必威体育官网网址且不受外界干扰的导航系统，广泛应用于航天、航空、航海等重点国防领域[4]。 按照惯性器件在载体上安装方式的不同，INS可分为平台惯导系统、捷联惯导系统两类。平台惯导系统因其工作精度高、体积大、成本高的特点主要应用于航海、大型运载火箭等军事领域。捷联惯导是随着计算机技术的发展而出现的新型导航系统，现代控制理论尤其是最优估计理论的发展为其提供了理论依据。捷联惯导系统去掉了平台惯导标志性的机电式平台，将陀螺和加速度计直接固连在载体上，随着载体的运动获得相应的惯性敏感信息，通过计算机软件建立一个“数学导航平台”，将陀螺和加速度计量测到的载体相对于惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度投影在载体坐标系上的分量传输给弹载计算机，通过坐标转换、积分等一系列的计算之后，得到载体相应的导航信息。相比于平台惯导，捷联惯导具有结构简单，安装、维护方便，体积小、重量轻、成本低、导航信息丰富、有较强的系统综合能力等特点，因此捷联惯导系统未来发展前景十分的广阔。 但是，惯性导航是一种推算式的导航，依据其原理，导航参数误差随着工作时间的增长也在逐渐增大，导航精度得不到保障，这对于需要长时间保持高精度导航输出的导航系统来说是个致命缺陷。综上所述，很多情况下特别是在军事领域惯性导航不能单独使用，必须在其他系统的辅助下进行工作[5][6][7][8]。 1.2 卫星定位导航系统 全球定位系统GPS(Global Positionning System)是天文导航和无线电导航的结合体，是继惯性导航后导航技术领域的又一重大进展，被称为“第四代导航系统’’，卫星星座、地面监控、地面接收设备是它的三大组成部分，卫星导航系统利用绕地运行的多颗导航卫星，为地面上的用户提供连续、实时的导航服务与高精度的授时服务，用户可以随时获取当前时刻的位置信息与速度信息，卫星导航具有定位精度高、系统成本低的特点[9]。 GPS导航的基本原理决定了良好的收星是保证高精度导航的前提，由于高动态环境会削弱GPS接收机对卫星信号的捕获与跟踪能力，甚至短时间内丢失卫星信号，影响正常导航；山脉、高楼、树木的遮挡也会致使GPS接收机接收卫星信号变差，无法达到定位要求；或者由于遮挡产生多路径效应，造成很大的定位偏差；而且导航信息输出的频率比较低，一般只有1Hz，不能满足某些特定任务的导航需求。鉴于以上原因，很多情况下，GPS需要与其它导航系统配合使用，特别是对军用设备，这种互补性更为重要。 2.1 研究组合导航的背景及意义 从上面的介绍可以看出，虽然惯性导航与GPS导航是当前主流的导航系统，但二者仍然各有优缺点，已经不能满足现代导航系统的要求。随着航空航天技术的发展，急需一种精度高、可靠性强、全球、全天候的新型导航系统，而卫星定位与捷联惯性(GPS\SINS)组合导航系统能在发挥各自系统优势的同时，取长补短弥补单一系统的不足。利用GPS稳定的导航精度为捷联惯性导航提供连续不断的位置修正，减小其误差随着时间的累积，利用SINS导航动态性能好、数据更新快、短时精度高的特点增强GPS在强干扰和高动态等环境中的定位能力。卫星定位与捷联惯性组合导航增强了导航系统的可靠性，提高了导航的精度，同时也降低了系统的成本，得到一种高性价比、高精度的导航系统，在军事和民用领域拥有巨大的市场价值。 现代计算机技术、信息融合技术等方面的发展，进一步的增强了组合系统的导航性能，组合导航技术是未来导航技术发展的主要趋势，拥有广阔的应用前景，相对于单一系统，组合导航的优势体现在以下几个方面： (1)协作互补功能：综合各子系统的导航信息，取长补短，形成单个子系统不具备的功能和精度，提升导航信