GPS-SINS组合导航系统仿真与分析
SINSGPS紧组合与松组合导航系统性能仿真分析
ＳＩＮＳ／ＧＰＳ紧组合与松组合导航系统性能仿真分析王君帅，王新龙（北京航空航天大学宇航学院，北京 １００１９１） 摘 要：ＳＩＮＳ／ＧＰＳ组合可以有效提高导航系统的性能。
建立ＳＩＮＳ／ＧＰＳ全系统仿真模型，构建ＳＩＮＳ仿真器、ＧＰＳ星座，并给出最佳导航星的选择方法。
在建立ＳＩＮＳ／ＧＰＳ组合导航系统状态模型和量测模型的基础上，分别以位置、速度为观测量和以伪距、伪距率为观测量设计了松组合与紧组合导航系统的Ｋａｌｍａｎ滤波器。
在相同的条件下，对这两种不同组合模式的导航系统进行仿真验证。
仿真结果表明，与松组合导航系统相比，紧组合导航系统的收敛性能更好，尤其是在受到外界干扰或遮挡，使可用的导航星数目不足四颗时，紧组合导航系统具有更好的导航性能。
关键词：组合导航；位置；速度；伪距；伪距率中图分类号：Ｖ２４９．３２＋８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３－５０４８（２０１３）０２－００１４－０６ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳＩＮＳ／ＧＰＳＴｉｇｈｔｌｙＣｏｕｐｌｅｄａｎｄＬｏｏｓｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＮａｖｉｇａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＷＡＮＧＪｕｎ－ｓｈｕａｉ，ＷＡＮＧＸｉｎ－ｌｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｕｇｍｅｎｔｅｄｂｙＳＩＮＳａｎｄＧＰＳｉｎｔｅ－ｇｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ＳＩＮＳｓｉｍｕｌａｔｏｒａｎｄＧＰＳｓａｔｅｌｌｉｔｅｇｒｏｕｐｓａｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｃｈｏｏｓｉｎｇｔｈｅｂｅｓｔｓａｔｅｌｌｉｔｅｇｒｏｕｐｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｓｔａｔｅａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｓｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒｓｏｆｌｏｏｓｅｌｙａｎｄｔｉｇｈｔｌｙｃｏｕｐｌｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｃｈｏｏｓｅｓｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｇｅ，ｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｇｅｒａｔｅａｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｎａｖｉ－ｇａｔｉｏｎｍｏｄｅｓａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｉｇｈｔｌｙｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｌｏｏｓｅｌｙｏｎｅ，ａｎｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｈｅｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆａｖａｉｌａｂｌｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓａｔｅｌｌｉｔｅｓａｒｅｌｅｓｓｔｈａｎｆｏｕｒｗｈｉｃｈｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｏｕｔｓｉｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｒｓｈｅｌ－ｔｅｒｅｄ，ｔｈｅｔｉｇｈｔｌｙｃｏｕｐｌｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｔｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ；ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｇｅ；ｐｓｅｕｄｏ－ｒａｎｇｅｒａｔｅ０ 引 言捷联惯性导航系统（ＳＩＮＳ）利用陀螺仪、加速收稿日期：２０１２－０８－１５基金项目：国家自然科学基金（６１０７４１５７）资助项目；航空科学基金（２００９０１５１００４）资助项目作者简介：王君帅（１９８７－），男，河北邢台人，硕士研究生，研究方向为ＧＰＳ导航。
《基于SINS-北斗的组合导航技术研究》范文
《基于SINS-北斗的组合导航技术研究》篇一基于SINS-北斗的组合导航技术研究一、引言随着科技的不断进步，导航技术在军事、航空、航海、自动驾驶等领域得到了广泛的应用。
惯性导航系统（SINS）以其独立自主的导航特性被广泛应用，然而，单一的惯性导航系统在长时间内存在累积误差的问题。
而北斗卫星导航系统作为我国自主研发的全球卫星导航系统，具有定位精度高、可靠性强的特点。
因此，将SINS与北斗卫星导航系统进行组合，形成SINS/北斗组合导航系统，可以有效地提高导航的精度和可靠性。
本文将基于SINS/北斗的组合导航技术进行研究，探讨其原理、实现方法以及应用前景。
二、SINS/北斗组合导航技术原理SINS/北斗组合导航技术是将惯性导航系统和北斗卫星导航系统进行有机融合，利用两种系统的优势互补，提高导航的精度和可靠性。
SINS通过测量载体的加速度和角速度，进行积分运算得到载体的姿态、速度和位置信息。
而北斗卫星导航系统通过接收卫星信号，进行定位、测速和授时。
将两者进行组合，可以有效地抑制SINS的累积误差，提高导航的精度和稳定性。
三、实现方法SINS/北斗组合导航技术的实现主要涉及两个方面：硬件设计和软件算法。
硬件设计方面，需要设计合理的惯性测量单元（IMU），包括陀螺仪、加速度计等传感器，以及与北斗卫星接收机进行数据交互的接口电路。
同时，为了保证系统的稳定性和可靠性，还需要对硬件进行抗干扰设计、电磁兼容性设计等。
软件算法方面，主要包括数据预处理、SINS算法、北斗定位算法以及组合导航算法等。
数据预处理主要是对传感器数据进行滤波、标定等处理，以消除噪声和误差。
SINS算法和北斗定位算法分别用于实现惯性导航和卫星导航。
而组合导航算法则是将两种系统的数据进行融合，以实现优势互补。
四、应用前景SINS/北斗组合导航技术具有广泛的应用前景。
在军事领域，可以用于战场态势感知、导弹制导等。
在民用领域，可以用于无人驾驶、智能机器人、航空航天等领域。
INSGPS组合导航系统仿真分析
T
E {V k V j } R k kj
T
其中：W k k 时 刻 的 系 统 噪 声
V k k时 刻 的 量 测 噪 声 Qk , Rk 系 统 噪 声 和 量 测 噪 声 的 方 差 矩 阵 ， 卡 尔 曼 滤 波 要 求 它们分别是已知的非负定阵和正定阵
vN tan L Rm h vE 2 sin L ie Rn h
0
vE vN
位置误差方程：
根据
L
.
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,
.
v E sec L Rn h
vN Rn h 直接写出误差方程为： L . v E sec L v E sec L tan L L Rn h Rn h
N Lt N Rm LG NE G t R n co s L hG ht N U
L t , t , ht 真 实 位 置
N E , N N , NU GPS接 收 机 沿 东 、 北 、 天 方 向 的 位 置 误 差
速度误差方程及位置误差方程
速度误差方程矩阵表达式为：
. v E . vN 0 fU f N E E fU 0 f E N N 2 ie sin L vE Rn h vE 2 ie co s L Rn h vN Rm h
V E fU N f N U
.
VE tan L V E 2 ie sin L tan L V N Rm h Rn h VN
SINSGPS组合导航系统研究
SINSGPS 组合导航系统研究近年来，随着全球定位系统（GPS）和惯性导航技术的不断发展，SINSGPS（Strapdown Inertial Navigation System and Global Positioning System）组合导航系统也随之出现并逐渐得到广泛应用。
它是一种由惯性导航系统（INS）和GPS 接收器组成的系统，将两种导航技术进行融合，以提高导航系统的精度和可靠性。
本文将介绍SINSGPS 组合导航系统的原理、应用和发展前景。
一、SINSGPS 组合导航系统原理SINSGPS 组合导航系统是一种将惯性导航系统和全球定位系统结合起来的导航方式。
该系统通过将INS 和GPS 进行融合，以提高导航系统的精度和可靠性，同时克服两种技术本身所存在的缺陷。
1、惯性导航系统惯性导航系统是一种以惯性测量装置（IMU）作为核心的导航系统，它使用加速度计和陀螺仪等设备来测量运动物体的姿态和速度，并通过积分计算出运动物体的位置。
惯性导航系统的主要优点是无需外部参考，可以连续提供导航信息。
但是，它很容易受到系统漂移的影响，导致长时间使用会产生较大的定位误差。
2、全球定位系统全球定位系统是一种由美国政府运营的卫星导航系统，可以提供全球范围内的位置、速度和时间信息。
GPS 的精度和可靠性非常高，且具有长期稳定性和持续改进的能力。
3、SINSGPS 组合导航系统SINSGPS 组合导航系统将INS 和GPS 接收器结合起来，可以将两种技术的优点互相补充，提高系统的精度和可靠性。
其基本原理是：惯性导航系统可以提供连续的位置和速度，但是受到系统漂移的影响；而GPS 可以提供准确的位置信息，但是在城市、山谷等建筑物密集的区域或者高纬度地区时，GPS 信号很容易受到干扰或者被遮挡，会导致无法定位。
所以，将这两种技术进行融合，可以克服彼此存在的缺陷。
二、SINSGPS 组合导航系统应用SINSGPS 组合导航系统具有很广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1、航空航天领域SINSGPS 组合导航系统是飞行器中最常用的导航系统之一，尤其是航空器和导弹控制系统。
《2024年基于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，导航系统在军事、民用等领域的应用越来越广泛。
SINS（Strapdown Inertial Navigation System，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）作为三种重要的导航系统，各自具有独特的优势和局限性。
为了进一步提高导航精度和可靠性，本文研究了基于SINS/BDS/GPS组合导航信息融合算法。
二、SINS、BDS和GPS的概述1. SINS：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推算物体的位置、速度和姿态。
SINS的优点是短时间内精度高，不受外界信号干扰，但长时间积累的误差较大。
2. BDS：BDS是中国自主研发的全球卫星导航系统，具有高精度、高可用性、高连续性等特点。
BDS的优点是覆盖范围广，可提供全球导航服务。
3. GPS：GPS是一种由美国研发的全球卫星导航系统，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，进而确定接收机的位置和速度。
GPS的优点是应用广泛，定位精度高。
三、组合导航信息融合算法研究为了充分发挥SINS、BDS和GPS的优势，提高导航精度和可靠性，本文研究了基于SINS/BDS/GPS组合导航信息融合算法。
该算法通过将三种导航系统的数据进行融合，实现对物体位置、速度和姿态的精确估计。
1. 数据预处理：对SINS、BDS和GPS的原始数据进行预处理，包括数据滤波、噪声抑制和异常值剔除等。
2. 数据融合：将预处理后的数据进行融合，采用加权平均、卡尔曼滤波等方法，实现对物体位置、速度和姿态的精确估计。
其中，加权平均法根据各种导航系统的误差特性，给予不同的权重；卡尔曼滤波法则通过建立状态空间模型，利用观测数据和模型预测数据之间的差异，不断调整估计值，以实现最优估计。
小型无人机SINS／GPS／视觉组合导航研究
小型无人机SINS／GPS／视觉组合导航研究随着航空技术的不断发展，无人机对导航系统精度和可靠性的要求越来越高。
由捷联惯导系统（SINS）和全球定位系统（GPS）构成的组合导航系统是无人机最为常用的导航系统。
然而，由于GPS存在信号易丢失、易受干扰的缺点，使得SINS/GPS系统在应用上具有一定程度的局限性。
为了扩大其适用范围，充分发挥SINS/GPS导航系统的优势，本文采用了计算机视觉导航技术，对SINS/GPS/视觉组合导航系统进行了研究和分析，并进行了仿真实验。
标签：无人机；捷联惯性导航系统；计算机视觉；组合导航；卡尔曼滤波0 引言随着无人机技术的发展，导航系统的种类也越来越多，通常有惯性导航系统、卫星导航系统、多普勒导航系统和地形辅助导航系统等[1]。
然而，单一的导航装置已难以满足当前实际应用中的飞行要求，多种形式的组合导航方案随之产生，组合方案的采用使各导航系统之间取长补短，利用组合系统提供的冗余信息可以有效提高系统的导航精度和可靠性[2]。
本文针对GPS/SINS组合导航系统中GPS信号易受干扰、易丢失等缺点，提出了SINS/GPS/视觉组合导航方案，提高了系统的可靠性和导航精度，具有一定的工程实际意义。
1 SINS/GPS/视觉组合导航系统方案捷联惯导系统SINS为主导航系统，全球定位系统GPS和计算机视觉系统则作为导航辅助子系统。
SINS采用姿态解算算法将MEMS传感器输出数据解算为需要的导航参数，GPS接收机获取的信号经由计算机转换为用户所需的机体位置和速度参数，而视觉系统则根据连续时刻的图像信息估计机体的姿态参数[2]。
利用SINS系统误差模型、GPS量测误差模型及视觉量测误差模型构成扩展卡尔曼滤波器，两个子滤波器给出局部最优估计，再依据信息融合技术将局部估计有机合成，从而得到捷联惯导系统状态的全局最优估计。
SINS/GPS/视觉组合导航结构如图1所示。
2 SINS/GPS/视觉组合导航系统状态方程的建立本系统采用的组合方式为SINS分别与GPS和视觉系统构成子组合，且都采用输出校正，因而可采用同一组状态方程。
GPS-INS组合导航算法研究与实现
GPS-INS组合导航算法研究与实现GPS/INS组合导航算法研究与实现一、引言随着现代航空航天、航海、地理测量等领域的快速发展，导航技术在实际应用中扮演着至关重要的角色。
而GPS（Global Positioning System）和INS（Inertial Navigation System）作为两种常用的导航系统，各自具有优势和局限性。
本文将研究并实现一种基于GPS/INS组合的导航算法，旨在提高导航精度和稳定性。
二、GPS原理与特点GPS是利用卫星信号来确定位置、速度和时间的全球导航卫星系统。
其基本原理是通过接收来自多颗卫星的无线电信号，并计算卫星和接收器之间的距离，从而确定接收器的位置。
GPS具有全球覆盖、精度高、实时性好等优点，但在封闭环境或复杂地形下，信号可能受阻，从而降低导航精度。
三、INS原理与特点INS是一种基于陀螺仪、加速度计等传感器测量平台加速度、角速度等信息，进而推算出航向、位置等信息的导航系统。
INS具有短时间高精度、不受信号阻塞等优点，但会因为误差累积而导致导航精度慢慢下降。
四、GPS/INS组合导航算法1. 数据融合：GPS和INS可以互为补充，GPS提供了位置、速度的全球信息，INS则提供了短时间内的高频数据。
将两者进行数据融合，可以提高导航精度和稳定性。
常见的融合方法有卡尔曼滤波、粒子滤波等。
2. 姿态解算：利用INS测量的姿态信息，结合GPS位置、速度等信息，可以对航向、俯仰、横滚等姿态参数进行解算。
姿态解算是基于数学模型和传感器测量值进行的，可以应用各种滤波算法进行优化。
3. 误差修正：GPS和INS都存在误差，如GPS的卫星定位误差、INS的漂移误差等。
通过比较两者的结果，识别和修正误差是非常重要的一步。
例如，可以利用GPS比对INS的位置信息，进而校正INS的漂移误差。
五、实验及结果分析为了验证GPS/INS组合导航算法的有效性，我们进行了一系列实验。
组合导航仿真
SINS/GPS组合导航数字仿真系统”的设计原则如下：(1) 采用多个模块来分担不同的仿真任务，提高仿真系统的逼真度和实时性。
(2) 采用Windows环境下的图形界面系统，使仿真系统具有友好的人机界面和交互功能，以方便操作。
(3) 模块化：将系统划分成众多子模块，各子模块将算法、I/O管理，数据处理等封装起来。
(4) 结构化：软件采用层次结构化设计，分为管理层、基础层和功能层，每个层次由若干子模块构成，并支撑下一层次。
管理层负责人机界面管理、参数设置、仿真操作管理、数据管理、数据通讯管理等。
基础层提供通用的数学库，数据库，工具库和算法库，文件I/O，视频显示等。
功能层由各个仿真功能模块构成。
(5) 兼容性、扩展性：在开发中采用标准的操作系统、编程语言、数据接口，来保证软件的可移植性和兼容性；通过模块化、层次化设计使软件系统具有较好的二次开发能力和扩展能力。
在硬件选型和设计中采用通用个人计算机系统、尽量使用与实际产品相同或相似的硬件接口，使仿真系统具有较好的实用性，便于向实验仿真系统过渡。
2系统组成与功能“SINS/GPS组合导航仿真系统包括：(1) GPS导航卫星系统和GPS接收机仿真部分：由GPS仿真软件组成。
主要功能是实时及动态模拟和仿真空间GPS星座的运行；模拟GPS接收机的主要工作过程、计算过程、误差特性和接口特性（具体包括：模拟GPS接收机的主要误差，根据用户位置和GPS卫星进行GPS可见星判断和最佳定位星座选择，卫星位置计算和伪距、伪距率测量量的模拟，用户位置和速度的解算，用户位置、速度和时间的输出等）。
(2) IMU、SINS和SINS/GPS组合导航仿真部分：由IMU、SINS和SINS/GPS组合导航仿真软件组成。
主要功能是模拟不同精度纯惯导系统的元器件的主要误差和导航解算过程（具体包括：根据给定的飞行轨迹和惯性器件的误差特性模拟产生惯性器件的测量数据；INS导航计算的过程；用户导航结果的输出等）；接收GPS 接收机输出数据、IMU测量数据以及SINS解算的用户导航信息，采用合适的组合滤波算法，对IMU、SINS和GPS的误差进行估计并采用适当的校正方式进行误差校正，并最终输出经过校正的导航信息。
基于GPS／SINS组合的农业导航定位系统设计与研究
据 存 较 大 的定 位 误差 ， 提 出了 Ｇ Ｐ Ｓ和 Ｓ Ｉ Ｎ Ｓ联合 导 航 算 法 ， 利用 Ｓ Ｉ Ｎ Ｓ提 供 的姿 态 信 息修 正 Ｇ Ｐ Ｓ定 位 数 据 ， 提 高 系统 定 位 的精 度 。 为 了准 确测 量 姿 态 信 息 ， 对 多传 感 器 集 成 模 块 Ａ Ｄ Ｉ Ｓ １ ６ ３ ５ ５的信 息 融 合 处 理 ， 确 定 了基 于 卡 尔 曼滤 波 的 融合 算 法 朋 于测 量 姿 态角 。在 构建 实 验 平 台 的基 础 上 进 行 了试 验 ， 结果表明 ： 通 过 多传 感 器 融 合 算 法
部集成的陀螺仪和加速度计 可以分别测量 ， ｙ ， ｚ ３ 轴
可准 确 测量 姿 态 角 ， Ｇ Ｐ Ｓ定 位误 差 有 效 减少 ， 叮更 真 实 反 映农 用 车 辆 的运 动 状 态 。
关键 词 ：农 、 导 航 ；全球 定 位 系统 ； 尔曼 滤 波 ；姿态 角 ；信 息融 合
中图分类号 ：Ｓ １ ２ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ３ － １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ ０ １ ６ － ０ ７
体 的姿 态 角 。
ห้องสมุดไป่ตู้
统。本文构建 了基 于 Ｇ Ｐ Ｓ与 Ｓ Ｉ Ｎ Ｓ组合 的农 业车辆导
航定 位 系 统 。为 提高 导 航 精 度 ， 使 用 卡 尔曼 滤 波 技 术 进行 传 感 器信 息 融 合 测量 ， 测量载体姿态角 ； 同时 ， 对 Ｇ Ｐ Ｓ与 Ｓ Ｉ Ｎ Ｓ进 行 有 效 组 合 ， 改善定位精度 ， 更 真 实 反
导航 系 统 误 差 随 时 问 积 累 的 问题 。华 南 农 业 大 学
张智 刚 以水 田插 秧 机 为平 台 ， 建 立 了以 Ｒ Ｔ Ｋ— Ｄ Ｇ Ｐ Ｓ为 主要 导航 方式 、 姿 态 航 向参 考 系 统 Ａ ＨＲ Ｓ ５ ０ ０ Ｇ Ａ为 辅 助 的联 合导 航 系统 ， 通 过 卡 尔曼 滤 波 的方 式 提 高定 位 信 息精 度 。
浅谈GPSSINS组合导航系统的设计
浅谈GPS/SINS组合导航系统的设计摘要：SINS/GPS组合导航系统是一种性能较好的导航系统，它结合了GPS的高精度定位，误差无积累及INS的自主性、实时性等优点。
两者的结合可使导航系统的成本下降，可靠性增加，精度提高。
本文概要地介绍了SINS/GPS的研究背景、结构组成、建立了系统的总体设计方案，给出详细的软件设计框图．并介绍实现系统各个功能的软件算法。
实际应用结果表明：该系统的导航精度、成本、体积等指标均达到了设计要求。
关键词：GPS；SINS；组合导航；数据同步；发展趋势1 引言全球定位系统(GlobePosition System，GPS)和捷联惯性导航系统(SINS)都是目前世界上应用广泛的导航方法之一。
GPS易受地形地物的影响而导致定位中断，并且受制于人，而SINS定位误差随时间而积累，若将它们组合起来可形成优势互补并且在短期和长期上都有保证。
随着现代电子信息技术的发展．嵌人式技术的应用越来越广泛，尤其是在导航领域，导航设备正朝小型化、微型化应用发展，而且对系统精度和实时性要求也越来越高。
SINS／GPS组合导航能够增强导航系统容错能力和余度能力，研究高精度、高可靠性、小体积、低成本的SINS／GPS组合导航系统具有重要意义。
在飞机、舰船或其他对导航系统体积和性能有严格要求的领域具有潜在的应用价值。
2 SINS/GPS的研究背景全球定位系统(GPS) 是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，具有较高的导航精度，其最新的实际定位精度已经达到5米以内。
但是在实际应用中还存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低不足等缺点。
由于其要求对卫星的直接可见，另外对可见卫星的数目和几何配置都有一定的要求，尤其在城市运行环境下，楼房、立交桥甚至湿润的树叶都会使可见卫星被遮挡，造成所谓的接收机“失锁”，使GPS中断输出。
另外，城市中各种各样的无线电干扰也会进一步降低GPS的定位精度，因此单纯依赖GPS进行导航是不够的。
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GPS/SINS组合导航系统仿真与分析关键词：gps/sins，捷联惯导，组合导航，matlab，仿真
中图分类号：c05 文献标识码：c 文章编号：1009-914x(2012)29- 0281 -02
一、gps系统和捷联惯导系统的基本原理
1.1 gps系统的基本原理
随着当代科学技术的不断发展，航天技术、计算机技术、卫星导航技术、卫星测量技术以及卫星通讯技术也得到了不断成熟和提高，全球定位系统（gps）就是将上述技术融合在一起而建立并发展起来的一种新型的高精度卫星定位和导航技术。
延时测距是全球定位系统（gps）进行卫星定位的基本工作原理，即通过测量三维空间中四个已知位置到用户位置的信号传播延迟
时间，分别推算出用户所处位置到这四个已知位置的距离，再根据这四个推算出的距离量解算出用户在三维空间中所处的位置以及
用户与已知位置的钟差。
因为有四个未知量，若用户拥有与gps系统时间严格同步的高精度原子钟，则钟差可以很容易得到，那么只需要用户位置与三维空间中三个已知位置的距离，就能得到用户实际所处的位置信息。
但在实际工作中，由于成本关系，一般的gps 接收机不会装备高精度原子钟，而且实际测得的用户位置与已知位置的距离包含了很多误差（即伪距），则需要测量用户位置与三维空间中四个已知位置的距离，才能够解算出用户实际位置，实现定位。
1.2 捷联惯导（sins）系统的基本原理
捷联（strapdown）这个英文单词的原意就是“捆绑”的意思。
所谓捷联惯导系统就是将惯性敏感元件（(陀螺仪与加速度计))直接“捆绑”在运动物体的机体上从而完成导航任务的系统。
捷联式惯性导航系统中，取消了平台式惯性导航系统中复杂的“机械式”平台，并在计算机中通过软件模拟出一个“数字式”平台进行代替，从而极大的降低了惯性导航系统的制造和维护成本，同时也极大的减小了惯性导航系统的体积和质量。
由于取消了实物平台，所以在捷联惯导系统中，是将加速度计和陀螺仪直接固定安装在载体上的，再通过计算机来实时解算出姿态矩阵。
加速度计和陀螺仪测量到的沿载体坐标系轴向的加速度信息，可以通过姿态矩阵变换到导航坐标系轴向，进而进行导航参数计算，最终获得载体的姿态、速度和位置信息。
捷联惯导系统的原理框图如图1-1所示。
二、gps和捷联惯导系统组合技术研究
2.1 简介
鉴于gps系统和捷联惯导系统各自的优缺点，人们将这两种系统组合起来，组成了全球定位系统（gps）/捷联惯导系统（sins）组合导航系统。
gps/sins组合导航系统将捷联惯导系统在短时间内导航精度高的优点和gps系统导航误差不随时间增长而增加的优点有机的结合在一起，取长补短，使得单独使用一个导航系统时造成的缺陷得到了很好的弥补。
目前，最通用的做法是使用卡尔曼滤波技术来实现两种导航系
统的组合导航。
卡尔曼滤波技术通过两种导航系统各自的导航数据输出，采用滤波算法来估算出系统的误差，并利用误差状态的估计值来校正组合导航系统的输出，从而达到数据融合的目的。
只要建立了组合导航系统的量测方程和状态方程，就可以通过卡尔曼滤波技术来实现组合导航，相对于其他技术比较容易实现。
2.2 gps和捷联惯导系统的组合方式
由于使用的环境和要求不用，gps/sins组合导航系统所使用的组合方案也不同。
在实际工程中，一般选择结构、算法比较简单的导航信息耦合方式，这种方式不但利于实现，而且耦合效果也比较理想。
本文中使用了导航信息耦合方式。
在导航信息耦合方式中，需要用到卡尔曼滤波器。
这种耦合方式的工作原理是：首先，分别得到gps系统和sins系统各自测量得到的位置和速度等导航数据，从而得到其差值；然后通过卡尔曼滤波器，利用得到的差值，对sins系统的误差进行估计；最后，利用估计对sins系统的输出进行校正。
使用导航信息耦合方式的组合导航系统结构简单、利于实现，而且gps和sins仍然相互独立工作，若一个系统出现故障，另外一个系统仍然可以独立的完成导航工作。
采用输出校正的导航信息耦合gps/sins组合导航系统的原理框图如图2-1所示，采用这种耦合结构的组合导航系统不仅结构简单、容易实现，而且拥有不错的导航精度和性能。
将gps系统和sins
系统各自输出的位置、速度等导航数据做差，其差值经卡尔曼滤波
器后，就能得到捷联惯导系统的导航数据误差的估计值。
利用估计出的捷联惯导误差，就可以对捷联惯导系统的输出进行校正
2.4 组合系统的量测方程
三、仿真结果及分析
3.1 仿真结果
在仿真过程中，部分参数设定如下：陀螺仪白噪声漂移分量取，一阶马尔可夫陀螺漂移分量取，相应的一阶马尔科夫过程相关时间取500s，加速度计一阶马尔可夫漂移分量取。
3.2 仿真结果分析
从仿真结果可以看出，在gps/sins复合制导系统中，sins和gps之间彼此可以优势互补，取长补短。
gps 接收机可以向sins提供有关它当前的积累误差的实时而准确的数值，并进行补偿，提高制导精度。
sins能够用准确的位置和速度初始值提供给gps接收机跟踪回路，从而减少其采集gps卫星信息所需要的时间。
制导过程中，sins把速度和加速度信息提供给gps接收机，可以提高gps接收机的抗干扰能力和动态特征。
如果gps接收机失去对卫星的自动跟踪，sins仍然能够独立工作，并且提供的位置和速度值能够帮助gps接收机及时地采集gps卫星信息。
参考文献
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2.杨艳娟.捷联惯性导航系统关键技术研究：[博士学位论文].
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