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毕业设计:惯性组合导航系统

摘要

为了克服卫星信号盲区GPS定位间断或失效以及航位推算(DR)定位误差随时间积累等缺陷,通过分析各种车辆组合导航定位系统方案,设计了一种基于Kalman滤波的惯性组合导航系统。

惯性导航系统(INS)可连续提供信息,短时间精度高,但是定位误差随时间积累。GPS系统长期稳定性好,但易受到干扰,数据更新频率低。由于MEMS器件本身的缺点,应用其作为惯性测量器件的惯导系统需有GPS辅助。INS和GPS构成的组合导航系统,它包括一个由多轴陀螺仪和一个加速度计组成的惯性导航系统(INS)并集成了GPS接收机。惯性导航系统的误差是通过一个组合INS/GPS卡尔曼滤波器(KF)来估计,该滤波器是基于位置、速度、航向的动态误差模型以及陀螺仪和加速度计的随机误差模型。卡尔曼滤波器(KF)模块可单独提供定位信息以防GPS失效。

本文介绍了GPS和INS的基本原理和组成,建立了组合导航系统误差模型,推导了惯性导航系统误差方程,主要研究了INS/GPS组合导航中卡尔曼滤波技术的应用问题。以MATLAB语言为仿真语言环境对常规卡尔曼滤波、联邦滤波进行了研究和仿真分析。通过各种不同时间长度下由GPS接收机、车辆加速度计芯片、多轴陀螺仪采集到道路的测试数据来进行的大量GPS失效仿真实验验证了该系统拥有较高的导航精度,具有一定的应用价值。

关键词:组合导航;GPS;航位推算(DR);惯性导航系统(INS);卡尔曼滤波;嵌

入式系统

Abstract

InordertoovercomeshortcomingssuchasdisconnectionandinvalidityofGPSwhenthesignalofsatellitesisunusableandtheaccumulationofnavigationlocationcalculationerrorswithtimepassing,throughanalysingvariousschemesofvehiclenavigationandlocationsystem,inertialintegratednavigationsystemofINS/GPSbasedonembeddedsystemisdesigned.

TheinertialnavigationsystemINScanprovidetheinformationcontinuously,hassuperiorprecisioninshorttime,butpositionerroraccumulateswithtime.TheGPShaslong-termstability,butisdisturbedeasilyandthedatarenewalfrequencyislow.AsaresultofMEMScomponentshortcoming,theinertialnavigationsystemwithMEMScomponentneedsassistancefromGPS.INS/GPSintegratednavigationsysteminvolvesaINSconsistingofamultiple-axisgyroscopeandanaccelerometerintegratedwithGPSreceiver.INSerrorsareestimatedbyanintegratedINS/GPSKalmanfilterKFwhichreliesonadynamicerrormodelofposition,velocityandheadingaswellasstochasticmodelsforgyroscopeandaccelerometererrors.IncaseofaGPSoutage,thedesignedKFmodule

providespositioninginformation.

ThisdissertationintroducesbasicprincipleandcompositionofGPSandINS,infersthesystemerrorequations,getstheerrormode,studiesapplicationofkalmanfilt