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gpsins组合导航技术的研究 1 基于gps的相位检测方法 本文重点研究了应用的跟踪和导航。所研究的方法涉及到辅助惯性导航系统 (INS) 的单频差分全球定位系统 (SF DGPS) 和计程仪。本集成系统采用的带有载波相位输出的单频GPS价格不高 (大约100美元) , INS也使用低价固态器件。 辅助惯性系统是一个很值得研究的问题。按照实时、精确、可靠地分解整数模糊度的需求, 为辅助INS使用整个GPS分解全载波相位测量方法是相当复杂的。在参考文献中描述了一种可达到“次分米”精度的后处理DCP GPS方法。在参考文献中描述的辅助DCP GPS方法实时可达到2.5mm的位置精度。 2 互补滤波器模型 本文提出的集成导航系统是由惯性导航装置、单频差分全球定位系统和计程仪组合而成的导航系统。其工作原理如图1所示。图1是INS辅助的单频差动滤波相位SF DGPS和计程仪组成的增强型组合滤波器框图, 这类滤波器称为互补滤波器。惯性测量装置 (IMU) 的输出由INS处理, 因为INS是一个集成过程, 所以INS输出可由实际状态加上一个主要低频误差来精确表示。INS用于估算SF DGPS、多普勒和计程仪的测距范围。估算和测量信号间的差异由两部分误差组成:主要低频INS状态误差和主要高频SF DGPS噪声误差。每个误差的频率内容可被准确显示。计及状态估算目的在于衰减SF DGPS测量误差并提供准确的INS剩余状态的估算。在设计良好的系统内, 从INS状态减去估计的剩余估算值, 将产生导航状态的准确估算。 3 全球定位系统gps NAVSTAR (NAVigation System with Timing And Range) 全球定位系统 (GPS) 是美国国防部开发的全方位、全时效、全天候的导航系统, 用于地球上或地球附近的用户确定位置、速度和时间。 3.1 集成载荷相位 对于民用GPS接收者, 每一带有锁定GPS卫星信号的相干仪通路均有三种类型的GPS测量方法可供选用。对L1载波频率, 它们是伪测距、多普勒和集成载波相位。伪测距和相位测量模型方程是 ～ρ(i)=[(X(i)-x)2+(Y(i)-y)2+(Ζ(i)-z)2]0.5+cΔtr+cΔt(i)ion+χ(i)+ΜΡ(i)+η(i)(1) ～φ(i)=1λ{[(X(i)-x)2+(Y(i)-y)2+(Ζ(i)-z)2]0.5+cΔtr-cΔt(i)ion+χ(i)+mp(i)+β(i)}-Ν(i)(2) χ(i)=cΔt(i)sv+cΔt(i)trop+E(i)(3) 3.2 卫星定位计算 INS提供GPS接收位置的估计值?x=(?x,?y,?z), 因此, GPS接收者和第i颗卫星的距离可由下式计算得到: ?R(i)=[(X(i)-?x)2+(Y(i)-?y)2+(Ζ(i)-?z)2]0.5(4) 式中X(i),Y(i),Z(i)为卫星位置, 可用导航历表数据计算; ～ρ(i)-?R(i)=h(i)(x-?x)+cΔtr+χ(i)+cΔt(i)ion+ΜΡ(i)+η(i)+h.o.t′.s(5) ～φ(i)λ-?R(i)=h(i)(x-?x)+cΔtr+χ(i)-cΔt(i)ion+mp(i)+β(i)-Ν(i)λ+h.o.t′.s(6) h(i)=[?ρ(i)?x?ρ(i)?y?ρ(i)?z]|(?x,?y,?z)(7) ?D(i)(t)λ-h(i)(vr-?v(i)sv)=h(i)(vr-?vr)+?(cΔtr)?t+?χ(i)?t-?(cΔt(i)ion)?t+?β(i)?t+?mp(i)?t+h.o.t′.s(8) 式中x是GPS接收者的实际位置,h.o.t′.s代表展开式中的高阶项。 3.3 ctitrop 为获得较高的精度, 用微分运算抵消GPS接收器的一般模型误差。对带有短基线 (10×103m) 的差动GPS, 尤其是对几米内的姿态确定, 一般模型误差cΔt(i)sv,cΔt(i)trop,cΔt(i)ion和E(i)对任意两个接收器都是近似相等的。对长基线和不同姿态的差动GPS,cΔt(i)trop,cΔt(i)ion和E(i)需要被显示和估算: Δ(i)ρ=cΔtrB+χ(i)B+cΔt(i)ion+MP(i)B+η(i)B(9) Δ(i)φ=cΔtrB+χ(i)B-cΔt(i)ion+n(i)φB-N(i)Bλ(10) Δ(i)D(t)=-h(i)v(i)sv+?(cΔtrB)?t+?χ(i)?t-?(cΔt(i)ion)?t+?n(i)φB?t(11) 3.3.1 gps连接器噪声 利用方程 (11) 的结果作为修正, 并把它代入方程 (8) , 在靶子位便得到线性单微分GPS测量结果: Δρ(i)-?R(i)=h(i)Δx+cΔtrRB+ΜΡ(i