基于差分GPS与高精度惯导的组合导航后处理算法研究.docx

PAGE 8 GPS车载导航仪的路径规划研究 PAGE 29 第二章 GPS车载导航系统的结构与关键技术 基于差分GPS与高精度惯导的组合导航后处理算法研究 第一章 绪论 1.1 选题背景与研究意义 随着社会的发展和科学技术的进步，导航定位技术逐渐进入人们的生活，如汽车导航和百度定位的日常使用。我们比较熟悉导航系统GPS（全球定位系统）、北斗系统、伽利略系统以及惯性导航系统（INS）。由于单一导航系统面对导航精度要求越来越高，组合导航系统应运而生。组合导航系统是利用两个或两个以上导航系统根据实际情况进行合理搭配，充分发挥单一导航系统获得最佳导航输出的优势，从而达到提高导航精度。由于惯性导航具有重量轻，自主性强，工作时不易受外界干扰的特点，现阶段大多数组合导航系统主要是惯性导航系统为主，其他导航辅助的组合方式。 惯性导航系统（INS）主要使用自己的陀螺仪和加速度计来计算载体的角速度和加速度。在补偿系统误差后，通过计算机平台计算惯性导航系统（INS），获得实时的矢量速度、位置、姿态信息。虽然惯性导航具有强大的自主性、不间断、易于隐藏、工作环境应用广泛等等。但是在实际应用中仍存在误差随时间累积逐渐增大的问题，极大地限制了INS的更为广泛的应用。为了消除这种误差，惯性导航系统一般在惯性导航系统运行之前进行初始化以尽可能消除误差，但是对于惯性导航的导航精度提高任然是有限的。 全球定位系统（GPS）是一种高覆盖率，高精度的导航系统，提供即时，全天候的导航信息，导航精度不随时间变化。然而，在实际应用中，GPS中的信号频率更新缓慢。在诸如隧道之类的动态环境中，信号丢失等现象不断发生。这就使得GPS不适合高信号频率的军事应用。 GPS / INS组合导航把自主导航系统（INS）长期导航精度的全球定位系统（GPS），克服了GPS在高移动性下稳定性差的缺陷。修正惯性导航系统导航精度的校正误差随着时间的增加而增加。实践证明，导航精度有了一定的提高。这是一个理想的导航组合，这种组合模式将使得导航技术和定位技术应用范围更为广泛。 近年来，人们对过滤精度，计算量和工程实践中的稳定性提出了更高的要求。事实上，世界的本质是非线性的。从数学的角度来看，线性系统只是存在的一种特殊形式。即使对于一些线性系统，它也只是一些简单的非线性系统的近似。对于非线性滤波算法的研究，许多学者也进行了大量的研究工作。目前常用的滤波算法有扩展卡尔曼滤波（EKF），无损卡尔曼滤波（UKF），提及卡尔曼滤波（CKF）和粒子滤波（PF）。在实际工程中，非线性滤波技术被广泛应用于信号处理、惯性导航、目标跟踪、飞机姿态估计等方面。作为一种信息融合技术，卡尔曼滤波技术可以将导航系统中单个导航系统接收到的信息融合，利用滤波算法估计导航系统的误差，然后利用误差状态估计对导航系统进行修正以提高组合导航的准确性。因此，滤波技术的发展对于提高组合导航的精度也是非常重要的。非线性滤波技术在组合导航定位，初始对准等方面也是非常重要的。 因此，如何合理地组合导航系统和导航精度高的导航系统，如何改进滤波算法，改进滤波算法，减少系统误差，对提高组合导航的导航精度是非常重要的，这是一个长期以来亟待解决的问题。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 GPS/INS组合导航系统分类及发展 惯性导航技术的发展历史悠久，同时也是航天事业发展的历史。惯性导航系统（INS）基于牛顿惯性定律，利用陀螺仪和加速度计用于计算载体的角速度和加速度。在补偿了系统误差后，由计算机平台计算出惯性导航系统（INS），以获取信息的实时载波速度、位置、姿态等信息。惯性导航技术具有自主性强、无干扰等特点，一经推出就引起了人们的广泛关注，并逐渐应用于航空航天工业。1942年，德国V-2火箭首次成功应用惯性导航技术，开启了惯性导航技术用于军事空间的序幕。1954年，惯性导航系统在飞机上成功进行试验，并成功应用于舰艇、飞机、导弹等系统，开创了惯性导航的新纪元。惯性导航系统目前在军事和民用领域得到了广泛的应用，极大地促进了导航空间的发展。 全球定位系统（GPS）是一个全覆盖，高精度的导航系统，提供实时，全天候的导航信息。这是一个非自主的导航系统，随着时间的推移精度不会变化。全球定位系统历史悠久，最初出现于1970年代，由美国国防部开发，由用户设备部分，地面监测部分和空间卫星星座部分组成。24颗工作卫星构成了GPS空间星座，确保了统一覆盖全球的高空。 GPS导航的原理是计算卫星和接收机之间的距离，用户的接收机可以得到四个或四个以上的GPS卫星信号，然后根据算法得到观测者的位置信息。 随着科技的进步和航天工业的发展，人们对导航系统的导航精度和及时性提出了更高的要求。单一的INS和GPS定位系统已经不能满足项目的实际应用要求。这使得组合导航的出