微惯性测量组合与GPS组合导航技术
《基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究》范文
《基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究》篇一基于SINS-BDS-GPS组合导航信息融合算法研究一、引言随着科技的发展，导航技术已成为现代社会不可或缺的一部分。
特别是对于SINS（捷联式惯性导航系统）、BDS（北斗卫星导航系统）和GPS（全球定位系统）等导航系统的应用，其准确性和可靠性对于各种应用场景至关重要。
然而，单一导航系统往往存在局限性，如信号遮挡、多径效应等。
因此，本文提出了一种基于SINS/BDS/GPS组合导航信息融合算法的研究，旨在提高导航的准确性和可靠性。
二、SINS、BDS和GPS的基本原理及特点1. SINS原理及特点：SINS是一种基于惯性测量单元（IMU）的导航系统，通过测量物体的加速度和角速度来计算物体的姿态、速度和位置。
其优点在于不依赖外部信号，具有自主性，但长时间积累的误差会导致导航精度降低。
2. BDS原理及特点：BDS是中国自主研发的全球卫星导航系统，其原理与GPS类似，通过接收卫星信号计算位置信息。
BDS 具有较高的定位精度和较强的抗干扰能力。
3. GPS原理及特点：GPS是全球应用最广泛的卫星导航系统，通过接收来自多个卫星的信号，计算接收机和卫星之间的距离，从而确定接收机的位置。
GPS具有全球覆盖、高精度、实时性等特点。
三、SINS/BDS/GPS组合导航信息融合算法为了充分发挥各导航系统的优势，弥补其不足，本文提出了一种基于SINS/BDS/GPS的组合导航信息融合算法。
该算法通过将SINS、BDS和GPS的数据进行融合，实现优势互补，提高导航的准确性和可靠性。
具体而言，该算法首先对SINS、BDS和GPS的数据进行预处理，包括数据采集、滤波和同步等步骤。
然后，通过设计合适的权重系数，将三种导航系统的数据进行加权融合，得到最终的导航信息。
在融合过程中，采用卡尔曼滤波等算法对数据进行优化处理，以减小误差。
四、实验与分析为了验证本文提出的组合导航信息融合算法的有效性，我们进行了实验分析。
低精度IMU与GPS组合导航系统研究
3、导航数据融合效果有待进一步提高。
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数值计算方 法，优化算法性能，提高实时性。
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3、算法优化：针对卡尔曼滤波 算法复杂度较高的问题
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
1、GPS和IMU数据采集与同步：采用分频复用技术，实现GPS和IMU数据的同 步采集；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、数据预处理：对原始数据进行滤波和平滑处理，以提高数据质量； 3、状态估计：采用扩展卡尔曼滤波算法，估计系统的状态变量和协方差；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、GPS和捷联惯导组合导航系统具有互补性，可以实现优势互补， 提高导航系统的性能。
然而，本研究仍存在一些不足之处。首先，对于GPS和捷联惯导组合导航系统 的具体实现方法，尚未进行详细探讨。未来研究可以进一步深入研究系统的硬件 实现方法、软件算法等具体技术细节。其次，虽然本次演示对GPS和捷联惯导组 合导航系统的应用进行了简要介绍，但尚未对其在各领域的应用进行深入研究。 未来可以对不同领域的应用场景进行详细分析，为实际应用提供更有针对性的指 导。
4、实现卡尔曼滤波算法：根据预处理后的数据和状态估计结果，实现卡尔曼 滤波算法，进行数据融合；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
5、系统调试与优化：对系统进行实际环境下的调试与优化，确保系统的稳定 性和性能。
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统是一种基于微电子机械系统惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的导航系统。
它通过将IMU和GPS的测量数据进行集成和融合，提供更准确和可靠的位置、速度和姿态信息。
在本文中，将详细介绍MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现原理和关键技术。
首先，需要了解IMU和GPS的基本原理。
IMU主要由三个加速度计和三个陀螺仪组成，用于测量物体的加速度和角速度。
GPS则通过接收卫星发射的信号来测量接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
IMU和GPS各自都有一定的测量误差，但是通过集成和融合它们的测量数据，可以大幅度提高导航系统的性能。
在实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统时，首先需要对IMU和GPS的数据进行预处理。
对于IMU数据，需要进行误差补偿和积分处理。
误差补偿包括陀螺仪的零偏校准和加速度计的尺度因素校准等，以减小测量误差。
积分处理则可以将加速度计的测量值积分得到速度和位置信息，将陀螺仪的测量值积分得到姿态信息。
对于GPS数据，则需要通过解算接收机与卫星之间的距离，从而确定接收机的位置。
接下来，需要进行导航滤波的处理。
导航滤波是将IMU和GPS的数据进行集成和融合的关键步骤，常用的滤波算法包括卡尔曼滤波和粒子滤波等。
卡尔曼滤波是一种利用概率统计的方法对系统状态进行估计和预测的算法，可以融合IMU和GPS的数据，提供更准确和可靠的导航结果。
粒子滤波则是一种基于蒙特卡洛方法的滤波算法，通过对系统状态进行随机取样，逐步逼近真实状态。
此外，还需要考虑导航系统的误差补偿和校准。
导航系统在使用过程中，由于环境变化和传感器老化等因素，可能会产生误差和漂移。
为了提高系统的精度和可靠性，需要进行误差补偿和校准。
误差补偿包括对IMU 和GPS数据的实时校准和修正，以减小测量误差。
校准则包括对传感器的定标和校准，以保证传感器的准确性和一致性。
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
第5期
祝燕华等：MEMS-IMU/GPS 组合导航系统的实现
553
究具有一定温度自适应性的误差标定方法具有工程意义。
下面采用递推最小二乘自适应（ARLS）速率标定算法进行 MEMS 陀螺组件的误差标定。
综合考虑 MEMS 陀螺的零偏、安装误差和标度因数误差，则三轴 MEMS 陀螺组件的实际量测输出表示为：
MEMS 陀螺组件
MEMS 加计组件
ωb ib
—
误差
补偿 +
野值
解算捷联 姿态矩阵
剔除 f b
Cbn
fn
求解
比力方程
X
X
—
估计横滚角
和俯仰角
卡尔曼滤波器
计算 指令角速率
导航解算
— —
ωn ie
venn
速度位置输出 姿态航向输出
GPS 速度和位置
GPS 航迹角
图 1 MEMS-IMU/GPS 组合导航系统的工作原理 Fig.1 Operating principle of MEMS-IMU/GPS integrated navigation system
Wm = (I + KG )(I + θG )W + BG ≈ (I + KG + θG )W + BG
（1）
⎡0
其中， BG 为零偏矩阵， BG
= [Bgx
Bgy
Bgz ]T ； θG
为安装误差矩阵， θG
=
⎢ ⎢
−θ
gyz
⎢⎣ θgzy
差矩阵， KG = diag[Kgx Kgy Kgz ] 。式（1）可以列写为：
MEMS-IMU/GPS 组合的卡尔曼滤波器，利用加速度计倾角传感器原理估计载体的水平姿态，增强了姿态信息的
GPS与惯导系统的组合导航技术
谢谢观看
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GPS/INS
INS:
INS 不仅能够提供载体位置、速度参数,还能提 供载体的三维姿态参数,是完全自主的导航方式,在 航空、航天、航海和陆地等几乎所有领域中都得 到了广泛应用。但是,INS 难以克服的缺点是其导航 定位误差随时间累加,难以长时间独立工作。
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GPS/INS
GPS/INS组合:
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紧耦合和松耦合
优点:
1.组合结构简单，便于工程实现，便于实现容错 2.两个系统能够独立工作，使得导航系统有一定的 余度
缺点:
1. GPS 输出的位置、速度通常是与时间相关的； 2.INS 和 GPS 信息流动是单向的，INS 无法辅GPS。
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GPS/INS
紧耦合:
紧耦合模式是指利用 GPS 接收机的的原始信息来和惯 导系统组合，原始信息一般是指伪距、伪距率、载波 相位等。
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分类:
基于卡尔曼组合数据的融合方法
按照组合中滤波器的设置来分类，可以分成： 集中式的卡尔曼滤波 分布式的卡尔曼滤波 按照对系统校正方法的不同，分为: 开环校正(输出校正) 闭环校正(反馈矫正) 按照组合水平的深度不同，分为： 松耦合 紧耦合 根据卡尔曼滤波器所估计的状态不同，卡尔曼 滤波在组合导航中的应用有: 直接法 间接法
目录
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紧耦合和松耦合
基于卡尔曼滤波的组合方式:
利用卡尔曼滤波器设计 GPS/INS 组合导航系统的方法 多种多样按照组合水平的深度不同，分为： 松耦合 紧耦合
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紧耦合和松耦合
松耦合:
松耦合模式是指直接利用 GPS 接收机输出的定位信 息与 INS 组合，它是一种 低水平的组合。位置、速 度组合是其典型代表，它 采用 GPS 和 INS 输出的位 置和速度信息的差值作为 量测值。
惯性技术在精确制导武器中的应用与发展
文章编号:1671-637X(2007)03-0045-03惯性技术在精确制导武器中的应用与发展鲁 浩1,2, 位晓峰2, 庞秀枝2(1.北京航空航天大学,北京 100083; 2.中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009)摘 要: 探讨了惯性技术在精确制导武器中的应用与发展,给出了战术武器对惯性技术的要求,对国外惯性技术的现状和发展趋势进行了分析,对国内惯性技术的研究方向进行了展望。
关 键 词: 武器; 精确制导; 导航战; 惯性技术中图分类号: V249.3 文献标识码: A Appli ca ti on of i n erti a l technology i n Prec isi onGu i ded M un iti on sLU Hao1,2, W E I Xiao-feng2, P ANG Xiu-zhi2(1.B eijing U niversity of A eronautics&A stronautics,B eijing100083,China;2.China A irborne M issile A cade m y,L uoyang471009,China)Abstract: The app licati on of inertial technol ogy in Precisi on Guided Muniti ons(PG M)and its devel op2 ment are discussed.The de mands of tactical weapons t o inertial technol ogy are p resented.The current conditi on and future devel opment directi on of inertial technol ogy in foreign countries are analyzed,and the devel opment of domestic inertial techniques is als o studied.Key words: weapon; p recisi on guidance; navigati on war; inertial technol ogy1 惯性技术在精确制导武器中的地位惯性技术是武器系统定向导航的关键技术。
惯性导航系统：导航不再非卫星不可
FPGA作为主控制器进行实时数据采集和通信，以NIOSII软核处理器进行 惯性传感器的数据采集和处理。描述了系统的总体结构和利用六位置法 争转台实验对惯性器件进行了补偿算法的研究。通过六位置法和转台实 验的测试，对应原理样机的实测数据与补偿后的结果，验征了惯
惯性导航技术的理论技术是什么？ 惯性导航系统的工作机理是建立在牛顿经典力学的基础上的。牛顿定律告诉
人们：一个物体如果没有外力作用，将保持静止或匀速直线运动；而且 ，物体的加速度正比于作用在物体上的外力。如果能够测量得到加速度 ，那么通过加速度对时间的连续数学积分就可计算得到物体的速度和位 置的变化。
惯性导航技术的特点是什么？ 不同于其他类型的导航系统，惯性导航系统是完全自主的，它既不向外部发
射信号，也不从外部接收信号。惯性导航系统必须精确地知道在导航起 始时运载体的位置，惯性测量值用来估算在启动之后所发生的位置变化
除了改进惯导系统中的陀螺仪等设备，还有没有其它办法解决惯性导航长时 间工作的精度问题？
惯性导航统有什么缺点？ 其缺点是：1、由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长
期精度差；2、每次使用之前需要较长的初始对准时间；3、设备的价格 较昂贵；4、不能给出时间信息。
惯性导航系统的工作原理是什么？ 惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动
体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前 位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计 的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量 运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间 的一次积分即可得到距离
GPS与惯导系统的组合导航技术
LOGO 基于卡尔曼组合数据的融合方法
分类:
按照组合中滤波器的设置来分类，可以分成： 集中式的卡尔曼滤波 分布式的卡尔曼滤波 按照对系统校正方法的不同，分为: 开环校正(输出校正) 闭环校正(反馈矫正) 按照组合水平的深度不同，分为： 松耦合 紧耦合 根据卡尔曼滤波器所估计的状态不同，卡尔曼 滤波在组合导航中的应用有: 直接法 间接法
LOGO 标准卡尔曼滤波原理
系统的过程噪声和观测噪声的统计特性，假定如下： () () (3)
其中QK 是系统过程噪声WK 的 p*p维对称非负定方差矩阵，RK 是系统观测噪声 VK 的 m*m维对称正定方差阵，而δkj是 Kronecker-δ函数
如果被估计状态XK 和对XK 的观测量ZK 满足(1)、(2)式的约束，系统 过程噪声WK 和观测噪声VK满足(3)式的假定，系统过程噪声方差阵 QK 非负定，系统观测噪声方差阵RK 正定， k 时刻的观测为ZK，则XK 的估计XˆK可按下述方程求解
度组合是其典型代表，它 采用 GPS 和 INS 输出的位 置和速度信息的差值作为 量测值。
LOGO 紧耦合和松耦合
优点:
1.组合结构简单，便于工程实现，便于实现容错 2.两个系统能够独立工作，使得导航系统有一定的 余度
缺点:
1. GPS 输出的位置、速度通常是与时间相关的； 2.INS 和 GPS 信息流动是单向的，INS 无法辅GPS。
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GPS/INS
INS:
INS 不仅能够提供载体位置、速度参数,还能提 供载体的三维姿态参数,是完全自主的导航方式,在 航空、航天、航海和陆地等几乎所有领域中都得 到了广泛应用。但是,INS 难以克服的缺点是其导航 定位误差随时间累加,难以长时间独立工作。
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析 了由微 惯 性 器 件 组 成 的 捷 联 惯 导 与 Ｇ Ｓ 组合 导航 的可 行 性 ； Ｐ 综述 了Ｇ ＳＩ Ｓ组 合 导航 的工 作 原 理 和 关键 技 术 。 Ｐ／ Ｎ
【 关键词 】 惯性导航 系统 【 中圈分类号 １ Ｖ ４ ． ２ ９３ ２ ２
【 文献标识码】 Ｂ
性高。
（）Ｎ 的制 导精度 主要 取决 于惯性 器件 （ ２Ｉ Ｓ 陀螺 仪 和 加速 度计 ） 的精 度 。Ｉ Ｓ Ｎ 的精 度 在开 始工作 和较 短的 时间 内是优 良的 ， 但是从 初 始对 准之后 ， 由于 陀螺仪 的
从 ２世 纪８ 年代 开始 ，以Ｉ Ｉ艺 为基 础 的微机 械 ０ ０ Ｃ
导： 战术导 弹 的制导 ； 载鱼雷 、 水炸 弹的制 导 等。 舰 深
加工 技术 开始应 用 于传 感 器 的制造 。随着 ｔ ／ｍ技术 ｒ ｎ ｍ
的发展 ， 微机电系统 （ Ｅ Ｓ 脱颖 而出。 ＭＭ ） 微惯性传感器
（ 要 的ＭＥ 之一 ） 重 ＭＳ 由微 型 陀螺 仪 、 型加 速度 计 、 微 专 用 集 成 电路 （ ＳＣ）嵌 入 式 微 机 及 相 应 的软 件 组 成 ， ＡＩ 、
于Ｇ Ｓ Ｐ 导航 与其互 补性 较好 ， 是其 应 用 的主要 方式 。 １ 微惯 性 器件 的发展 及应 用
过减震 装 置安装 在 导弹上 。２捷 联 式ＩＳ 它是 直接把 ） Ｎ ： 陀螺 仪 和加速度 计 与导 弹弹体 连接 ． 用大容 量 、 高速度 运算 的计 算机来 处 理导 弹姿态 角变 化对加 速度 计输 出 的影响 ； 与平 台式 相 比 ， 联式 的体 积小 、 捷 成本 低 、 靠 可
维普资讯
第 ２期（ 总第 ８ ９期）
Ｎ ．（Ｕ ｏ ９ ｏ ＳＭＮ． ） ２ ８
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机 械 管 理 开 发
ＭＥＣ ＨＡＮＩ ＡＬ Ｃ ＭＡＮ ＡＧＥＭＥ Ｔ Ｎ ＡＮＤ ＤＥ ＶＥＬ ＰＭＥＮ ０ Ｔ
２０ ０ ６年 ４月
Ａｐ ． ０ ６ ｒ２０
传统惯性导航的载体。民用方面： 车辆 、 船舶等载体的
定 位 、 向导 航 ； 山 、 定 矿 铁路 等场 所 的测量 ； 城市 交通管 制等 。 军用 方 面 ： 般军用 车辆 的定 位 、 向导 航 ； 载 一 定 机 灵 巧炸 弹 的制导 ：灵 巧炮 弹 的制导 ；火箭 弹 的建议 制
善 。 ） 现有器 件 的基础 上 ， 用制 导误 差不 随时 间积 ２在 采
可以测出载体的位置 、 速度 、 姿态等信息 。微惯性传感
器具 有价 格 、 尺寸及 可 靠性 的很大 优势 ， 适合 于大 批量 生 产 ；在军 品 中 ，它 可用于性 能 要求 不太 高的 战术 导 弹、 火控 系统 中； 且 因其力 学 环境 的特点 使在灵 巧 弹 并
药 以至 钻地 弹头 中具有 独特 地位 ，甚 至做 到钻入 地下
后 仍能 对弹 头进行 制 导及 引爆 。 民品 中 ， 在 它可 用 于汽 车的 防滑 刹车 系统 （ Ｂ ） 其它 安全 系统 （ 如 ： 它 Ａ Ｓ及 例 用 感 受 事故 中车辆 的撞 击 翻 转 而启 动 气 枕拉 紧安 全带 ，
种测 试 系统 中也可 大 量应 用 ； 种 运 动平 台 、 星 、 各 卫 飞 机、 车辆 、 舰船 等 的稳 定控 制 中也有 广 阔的应 用领 域 。 ２ 惯性 导航 简介 及优 缺点
（ ） 性 导 航 系 统 （ｎｒ ａ Ｎ ｖ ａｉ ｙｔ 是 １惯 Ｉｅｔ ｌ ａｉ ｔ ｎ Ｓ ｓ ｍ） ｉ ｇ ｏ ｅ
漂移误差的积累． 精度会随时间推移而降低。 除了器件
误 差之 外 ． Ｓ 存在 安装误 差 、初始 对准误 差 和运动 Ｉ 还 Ｎ 干扰误 差等 。 提高Ｉ Ｓ 度 ， 两种 技术途 径 ：） 要 Ｎ精 有 １研制 新 的高精度 惯性 器件 。 第一 种 技术途 径要 用新 材料 、 新 工艺 ， 并要 提高 加工精 度 ， 不但 技术难 度大 、 造价 高 ， 而 且精度 的提高是 有 限的 ，还有 对于 机动发射 和反应所 要 求 的快 速 初始 对 准 所 造 成 的较 大 对 准 误 差 也 难 改
微 惯 性 测 量 组 合 与Ｇ Ｓ 合 导 航 技 术 Ｐ组
孙
【 摘
晨
郭 圣权
太原
李 栋
００５） ３０ １
（ 中北大学 山西
要】 分析 了惯性导航 系统和全球 定位 系统的优缺点； 介绍 了微惯性器件 的发展厦其用于惯性 导航 的前量 ； 分 微惯性器件 全球定位 系统 组合导航
【 文章编号】 １０ － ７ Ｘ（０ ６ ０ — ０ ３ ０ ０ ３ ７ ３ ２ ０ ）２ ０ ８ － ３
引 言
个空 间稳定 不变 的加 速度 测量 基准 ，陀螺 稳定 平 台通
近 年来 随着微 机 电技术 的发 展 ，微惯性 器件 为惯 性 导航 仪器 的低成 本 和小 型化提 供 了可能 。但 是微惯 性 器件 的精 度低 、 漂移 大 ， 独构 成 实用 的惯性 导航 仪 单 器 的难 度较 大 ， 因此它 需 与其 它导航 方式 进行组 合 ； 由
用 于 汽 车Ｇ ＳＮ 导 航 地 图显示 系 统 ， 为汽 车 “ 匣” ＰＩＳ 作 黑
累的外部参考信息源对ＩＳ Ｎ 进行修正 。 第二种技术途径 是以ＩＳ Ｎ 为主． 采用其它制导系统来辅助和加强的复合
制 导系统 。
（） ３ 微惯性 器 件用 于惯 性 导航 的前 景 ： 微惯性 器件
的传感 器 ）还 可用 于摄 像 机 的视 线 稳 定控 制 、 种 娱 ； 各
乐游 戏设 施 ： 自动化 生 产 、 在 机器 人 、 人机 交互 以及 各
因其体积 小 、 重量 轻 、 格便 宜 ， 于惯 性导 航 时 ， 价 用 可研 制 出小 型连 接惯性 导航 仪器 ，广 泛应 用于 不适 合装 配