GPS_INS组合高精度定位定向
GPS_INS紧耦合融合定位算法的研究与实现
学 校 代 码 10459学号或申请号 ************密 级专业硕士学位论文GPS/INS 紧耦合融合定位算法的研究与实现作 者 姓 名：高少甫导 师 姓 名：侯维岩 张大龙专业学位名称：电子与通信工程培 养 院 系：信息工程学院完 成 时 间 2018年5月A thesis submitted toZhengzhou Universityfor the degree of MasterResearch and implementation of GPS/INS tightly coupledfusion location algorithmBy Shaofu GaoSupervisor: Weiyan Hou and Dalong ZhangElectronic and Communication EngineeringSchool of Information EngineeringMay 2018学位论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的硕士学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
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学位论文作者：日期： 年 月日摘要惯性导航系统定位误差随着工作的时间的延长逐渐累积，GPS数据更新率低，动态特性差，在卫星信号受到干扰时，定位精度大大下降。
GPS_INS组合高精度定位定向
2.1 GPS定位测速技术（地面监控）
▪ 组成:
▪ 1 主控站 ▪ 5 监测站 ▪ 3 注入站
▪ 功能:
▪ 监控卫星 ▪ 编辑星历 ▪ 保持时间系统
GPS-INS组合导航系统
GPS/INS组合导航系统摘要：随着科学技术的迅速发展，目前广泛应用于航空、航天、航海和地面载体的导航系统多种多样，但是它们都有各自的优点与缺陷。
比如，惯性导航系统（ins）具有不依赖外界信息完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数的优点，能够抗电子辐射干扰、隐蔽性好的特点。
但是随着时间的增长，其导航参数的误差随着时间的积累越来越大，不适合长时间单独航行，如果引入gps，以适当方法将两者组合起来成为一个导航系统，必定可以提高系统的整体导航精度，是ins具有空中再对准的能力。
关键词：gps/ins 卡尔曼滤波器组合导航系统中图分类号：p228.4 文献标识码：a 文章编号：gps和ins的组合由于gps/ins组合导航的总体性能要远远地优于各自独立的系统，因此，普遍认为gps/ins是目前和今后进行空中、海上和陆地导航和定位较为理想的系统。
实现gps和ins的组合方案很多，不同的组合方案，可以满足使用者的不同性能要求和应用目的。
例如采用位置、速度组合的gps/ins导航系统，采用伪距、伪距率组合的gps/ins导航系统。
现在控制理论的成就，尤其是最优估计理论的数据处理方法，为组合导航系统提供了理论基础。
卡尔曼滤波器在组合导航系统的实现中有着卓有成效的应用。
在组合导航系统中应用卡尔曼滤波技术，即在导航系统某些测量输出量的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统的各种误差状态，并用误差状态的估计值去校正系统，以达到系统组合的目的。
例如，根据 gps定位数据利用卡尔曼滤波去估计系统的误差，然后用误差去校正系统。
卡尔曼滤波技术卡尔曼滤波技术是20世纪60年代在现代控制理论的发展过程中产生的一种最优估计技术。
最优估计是一种数据处理技术，它能将仅与部分状态有关的量测值进行处理，得出从某种统计意义上讲估计误差最小的更多状态的估计值。
估计误差最小的标准称为估计准则。
卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计。
卡尔曼滤波方程：状态一步预测方程(1)状态估计方程(2)最优滤波增益方程(3)一步预测均方误差方程(4)估计均方误差方程(5)或(6)由上述方程确定的系统叫做卡尔曼滤波器，它表现为计算机的数据处理，最小方差线性递推顾及运算。
组合导航-GPS-INS组合
组合导航技术讲座—GPS/INS组合导航西北工业大学航天学院罗建军提纲6.1 概述6.2 GPS/INS组合模式和结构6.3 惯性组合导航系统设计的方法和原则6.4 GPS/INS组合导航的模型和算法6.5 GPS/INS组合导航的仿真与实验5/8/201225/8/201239惯性导航的优点和存在问题9提高惯性导航系统精度的方法和途径9采用最优滤波的组合导航是提高惯导精度的有效途径9采用最优滤波的惯性组合导航原理9GPS、INS的互补性和组合的好处6.1 概述返回目录5/8/201241.惯性导航具有高自主性、抗干扰性、高的短期精度、高数据输出率、完备的导航信息、适应范围广等特点。
在飞机、导弹、舰船等航飞器中，惯性导航系统多作为主要的导航手段。
2.惯性导航的系统误差具有周期振荡的特性，某些导航参数误差具有随时间积累的特性。
惯导系统精度主要由惯性器件精度决定，其中以陀螺仪的精度尤为突出。
在长时间范围内，初始对准精度、系统使用的惯性敏感器缺陷和载体运动轨迹的动态特性都影响导航误差增长的速度。
3.由于重力加速度随高度增加而减小，纯惯导系统高度通道工作不稳定，必须引入外部高度信息进行阻尼。
4.惯性导航是一种航位推算导航，正常工作前需要初始化信息。
初始化主要任务包括：给定初始速度和位置；惯导平台对准；惯性器件测漂和标定。
准备时间长。
6.1 概述-惯性导航的优点和存在问题6.1 概述-提高惯性导航系统精度的方法和途径•采用新型、高精度惯性器件•建立惯性器件误差模型并对器件误差进行补偿•研究和采用高精度惯性导航和姿态计算算法•与其他传感器或导航系统进行组合-组合导航在现有器件或设备的基础上，利用导航误差不随时间积累的外部参考信息源，定期或不定期地对惯性导航系统进行导航参数校正和对惯性器件的漂移进行补偿。
虽然采用更精确的敏感器可以提高精度，但惯性系统的成本会变得极为昂贵，而且提高的精度也有限。
所以，除了潜艇导航系统或其他战略平台外，大多数战术平台不宜采用昂贵的惯性导航系统。
GPS与INS的组合定位技术研究
I G I T C W技术 研究Technology Study28DIGITCW2024.011 有关概念1.1 GPS系统的组成1.1.1 空间组成卫星在GPS 空间域的组成中起着至关重要的作用。
不同的卫星，其分工也不一样，如负责收集和传送资料的卫星，分为主星和辅星。
在实际工作中，由于收集任务的不同，卫星系统运行的轨道也是不同的。
目前，全球定位系统的卫星通过信息传输和图像采集等设备，可以实现无死角的全覆盖[1]。
1.1.2 地面控制组成主要是通过编码设置来实现对各种工作的要求。
其中，天线的正常工作是依靠电磁感应来实现的。
通过对卫星运行状态的监控，可以精确地对地，实现对地的精确定位。
1.1.3 用户设备用户设备的组成比较简单，可以根据接收到的信息，对系统进行分析和精确地计算，其中包括了信号接收IC 线、显像设备、功能设备等。
1.2 GPS定位原理GPS 卫星在正常工作时，可以收集到地表的各种数据，利用微机对其进行运算，然后将多颗卫星的测距结果综合汇总，把精确的数据传送至地表。
在接收基站接收到卫星数据后，将其加入3D 立体坐标中，根据雷达和卫星的时间差，需使用计算器进行一系列的计算，最后获得精确的坐标。
在运行中需要对收到的错误数据进行修正，然后将这些信息发送到人造卫星，用以校正，偏差控制在5米内。
同时，地理条件也会影响精度，造成定位误差较大。
为有效解决这些问题，需要运用计算机将相关的算法融合到测量中，以提高测量的精度[2]。
1.3 INS/GPS组合模式及其特性（1）松组合方式：将GPS 与惯性导航系统、速度信息相结合，由惯性导航系统与全球定位系统所得到的坐标与速率差，即为观测值。
以INS 为主要内容，当GPS 可工作的时候，GPS 的导航解可以被用作观测量输入信息的融合滤波器，利用扩展Kalman 滤波，对INS 的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计，并根据估计的结果对INS 进行输出或者反馈修正，从而让其维持高精度的导航。
双天线GPS定向方法
双天线GPS定向方法1. GPS测量方法GPS测量的基本方法有两种，一是伪距测量；二是载波相位测量。
载波相位测量精度要远高于伪距测量精度。
(1)伪距测量由于卫星钟、接收机钟的误差以及大气延迟误差的影响，实际测出的距离与实际的卫星到接收机几何距离有一定差值，故一般称测出的距离为伪距。
伪距观测量按精度可分为C／A码(粗码)和P码(精码)。
伪距观测量的精度一般为码元长度的1／100。
C／A码码元长度为293m，故其观测精度大致为2．93m；P码码元xx为29．3m，故其观测精度大致为0.29m。
(2)载波相位测量载波相位测量是接收机测量得到的卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。
载波相位观测量的精度一般为载波长度的1／100，L1载波的波长λ1=19cm，其测距精度为0.19cm；L2载波的波长λ2=24cm，其测距精度为0.24cm。
所以在测量相位精度相同的情况下，载波相位测量误差对测距精度的损失，较P码码相测量误差小两个数量级；载波相位测量的距离分辨率也较P码码相测量的距离分辨率高得多。
在需要高精度测量的场合，如姿态测量系统中采用载波相位观测量进行数据处理。
由于载波不携带有测距码的任何信息，所以载波相位测量通常也称为无码测量，载波是一种周期性的正弦信号。
因此，采用载波相位法是系统测量精度的保证。
系统接收L1载波信号,有16个L1 C/A码独立信道。
系统启动后，满足解算条件后，便可自动对整周模糊度进行初始化，初始化结束后，解算模式转到固定整周模式，最高可达20HZ频率输出解算结果，基线2m时定向精度0.08°，基线长度增加，可提高定向精度。
若在载体上配置不共线的三个GPS天线,可构成两条互相独立的基线。
通过这两条基线在载体坐标系和地理坐标系中的坐标位置可以在载体坐标系中建立三个互相正交的矢量，从而解算出三维姿态参数。
2. GPS姿态测量技术GPS姿态测量解算流程为：要使GPS具备姿态测量功能，需满足一下条件：（1）接收机使用两个或更多天线。
高精度定位导航系统设计与性能分析
高精度定位导航系统设计与性能分析在现代社会中，随着交通运输和定位导航技术的快速发展，高精度定位导航系统在各个领域都起到了至关重要的作用。
本文将讨论高精度定位导航系统的设计原理及其性能分析。
一、高精度定位导航系统设计原理高精度定位导航系统设计的关键在于精准性和可靠性。
其设计原理基于全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）的融合。
GPS是一种基于卫星信号的定位技术，利用卫星发射的信号和接收器接收到信号的时间差来计算出接收器的位置坐标。
然而，由于地球上的自然障碍物和建筑物的影响，GPS信号往往会受到干扰，从而导致定位误差。
因此，为了提高定位精度，设计高精度定位导航系统时需要结合惯性导航系统。
惯性导航系统是一种基于传感器的定位技术，它通过测量和分析物体的线性加速度和角速度来实现。
通过惯性导航系统可以检测和测量物体在空间中的运动状态，从而计算出其位置和速度。
然而，惯性导航系统的缺点在于其误差叠加效应，随着时间的推移误差会不断累积，从而影响定位精度。
因此，设计高精度定位导航系统时，通过融合GPS和INS的数据，可以充分利用二者的优势，提高定位精度和可靠性。
融合算法可以通过滤波、误差校正和权重分配等步骤来实现。
二、高精度定位导航系统性能分析高精度定位导航系统的性能分析是评估系统性能和精度的重要步骤。
下面将从定位精度、更新频率、精度传播等方面进行性能分析。
1. 定位精度：定位精度是衡量高精度定位导航系统性能的主要指标。
通过与地面真实位置的比较，可以计算定位误差。
较小的定位误差表示系统具备较高的定位精度。
2. 更新频率：更新频率是指高精度定位导航系统输出位置信息的速率。
较高的更新频率意味着系统可以更频繁地提供定位信息，从而实现更精确的导航和定位。
3. 精度传播：精度传播是指高精度定位导航系统中误差累积的过程。
DGPSINS精密组合导航软件(GPSINSIGG 1.0)简介
）简介简介 DGPS/INS精密组合导航软件GPSINSIGG 1.0）（GPSINSIGG 1.0精密组合导航软件（柴艳菊，阳仁贵，王海涛，许厚泽，欧吉坤，袁运斌，钟世明（中国科学院测量与地球物理研究所，动力大地测量学重点实验室，湖北：武汉，430077）摘 要：GPS/INS组合导航系统是近年来发展起来的一项新的导航技术，在军民用领域具有广阔的应用前景。
经过近十几年的发展，我国在INS硬件方面取得长足发展，但是成熟的高精度组合数据处理软件的发展相对滞后，制约了组合导航技术在一些精密导航领域的推广。
精密组合导航技术的主要困难是GPS模糊度的动态解算及INS元件误差的建模。
中国科学院测量与地球物理研究所（下称“中科院测地所”）科研人员结合我所GPS精密数据处理长期经验的积累和优势，及我所GPS/INS组合系统最新研究成果[1-5]，并参考目前国际上比较著名的几个GPS/INS组合软件及算法[6-11]，研制了DGPS/INS精密组合导航软件（GPSINSIGG 1.0）。
该软件采用VC++和FORTRAN语言编写，具有GPS数据预处理及精密动态定位测速、INS单独导航、GPS/INS精密松组合及紧组合、导航结果绘图等功能。
其特色是采用我所提出的GPS 质量控制及模糊度快速搜索新方法，并在组合阶段采用附加系统存在的隐含信息约束思想，将GPS相位和doppler观测与INS数据进行融合，提高了导航结果的精度。
整个软件操作采用提示功能，界面友好。
作者利用多种精度的国产和进口INS和GPS组合数据对该软件进行了测试，结果比较可靠。
关键词：GPS/INS精密组合处理模糊度解算INS误差建模松组合紧组合1.概述GPSINSIGG 1.0是中科院测地所近几年研制的精密GPS/INS组合数据处理软件。
它集成了我所GPS和GPS/INS的方面相关的研究成果，适用于实时或事后处理GPS/INS组合数据处理。
该软件具有GPS预处理、GPS精密动态定位测速、INS初始对准和单独导航、GPS/INS松组合和紧组合等主要功能，对处理结果绘图、坐标转换等辅助功能。
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（8） （9） （10）
2.2 INS导航定位技术（原理）
re V e
Ve
Rbe
f
b
2ieeV
e
g
e
Rbe Rbe (bei bib )
g e 为e系的重力矢量
V 为速度矢量
Gi 为地球引力加速度矢量
e,b分别表示地固系和载体坐标系
（11）
2.2 INS导航定位技术（原理）
陀螺仪
加速度 计
2.1 GPS定位测速技术（系统）
高度: 22,000 km 周期: 12 hrs 轨道面倾角: 55 degrees 轨道面个数: 6 轨道卫星数: 4 全部卫星数: 24（31）
2.1 GPS定位测速技术（组成）
•卫星部分 •地面控制部分 •用户终端
2.1 GPS定位测速技术（卫星）
• 功能:
SA open 24.0
7.0 2.0 2.3 0.6 1.5 25.0 1.5
SA close 0.0
7.0 2.0 2.3 0.6 1.5 7.5 1.5
2.1 GPS定位测速技术（差分定位）
2.1 GPS定位测速技术（差分定位）
~ij ij C
（3）
ij Nij ij
（4）
ij Nij ij0 Bdr （5）
ij
N
j i
i
j
ij ( Xi X j )2 (Yi Y j )2 (Zi Z j )2
（1） （2） （2.1） （2.2）
2.1 GPS定位测速技术（单点定位）
Error resource
Ionosphere Troposphere Orbit error Noise Multi-path Total HDOP
地面控制点任务大幅减轻
但对测区图形和控制点 仍存在要求
Z ▲
Y ▲
X
GPS 流动站
Time Position(x,y,z) Attitude( , ,k)
▲
▲
GPS 基站
▲
1.3 直接地理参考（POS）
地面控制点只需GPS参考站 对测区图形不再要求
解算简单，效率高
应用领域广阔
Z
GPS 流动站 Time Position(x,y,z)
IMU Attitude( , ,k)
Y
X
GPS 基站
▲
1.3 直接地理参考（POS）组成
GPS 天线
▪差分GPS（基站、流动站）
zB
▪惯性测量单元IMU
▪处理软件
xB
zS
Sensor
yS yB xS
IMU GPS 基站
2 GPS/INS组合航空遥感平台定位定向原理与方法
•GPS定位测速技术 •INS导航定位技术 •GPS/INS组合导航定位原理 •航空遥感中GPS/INS组合定位定向
（7）
2.1 GPS定位测速技术（差分测速）
ij ij ij dti dtj Iij Ti j （6）
ij ij0 BdV
厘米/秒级 厘米/秒级
（7）
2.2 INS导航定位技术
2.2 INS导航定位技术（器件）
2.2 INS导航定位技术（器件）
Z
陀螺 X
加速度计 Y
2.2 INS导航定位技术（数据）
INS导航方程：
re V e
Ve
Rbe
f
b
2ieeV
e
ge
Rbe
Rbe (bei
b ib
)
INS误差方程：
（11）
re V e
Ve N ere 2ieeV e F e Rbeb iee Rbed
GPS/INS组合高精度定位定向
武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室 孙红星
2010，6，8
主要内容
1 遥感平台定位定向方法概述 2 GPS/INS组合航空遥感平台定位定向原理与方法 3 GPS/INS/其他传感器组合陆地遥感平台定位定向方法 4 现有商用POS系统及其应用
1遥感平台定位定向方法概述
2.1 GPS定位测速技术（地面监控）
▪ 组成:
▪ 1 主控站 ▪ 5 监测站 ▪ 3 注入站
▪ 功能:
▪ 监控卫星 ▪ 编辑星历 ▪ 保持时间系统
2.1 GPS定位测速技术（用户终端）
▪ 功能:
▪ 接收和量测信号 ▪ 导航、定位、测速、授时等
▪ 设备:
▪ 石英钟 ▪ 锁相环
2.1 GPS定位测速技术（信号）
•传统航空摄影测量航空三角（AT） •GPS辅助航空三角（GPS AT） •直接地理参考（POS）
1.1 传统航空摄影测量航空三角（AT）
地面控制点任务繁重 耗时、花费较多
Z Y▲
▲▲ X▲
▪Position(x,y,z) ▪Attitude( , ,
k)
▲ ▲▲ ▲
1.2 GPS辅助航空三角（GPS AT）
2.2 INS导航定位技术（原理）
ri f i Gi
ri Rci (rc 2iccrc iccr c iccicc r c )
Rba Rbabab
ri (X i Y i Z i )T 为位置矢量 f i 为比力矢量
Gi 为地球引力加速度矢量
R 为旋转矩阵
为角速度矢量
i,a,b,c 分别表示惯性系和其它坐标系
•载波相位（L1 ，L2，L5）/多 普勒频移
•伪距（C/A，P1 ，P2，C2，M1 ，M2）
•导航信息（轨道，卫星钟差，电离层，卫星健康状况）
2.1 GPS定位测速技术（测量方程）
~ij ij dti dt j Iij Ti j C
ij
j i
ij
dti
dt
j
Iij
Ti
j
• 发射导航信号 • 其他目的，通讯、监控等
• 设备:
•原子钟（2 铯钟，2 铷钟） •信号发生器和发射器
•类型:
• 实验卫星: Block Ⅰ • 工作卫星: Block Ⅱ
– Block Ⅱ – Block ⅡA – Block ⅡR（R-M） – Block ⅡF (GPS modernization)
2.1 GPS定位测速技术（差分定位）
~ij ij C
米级
米级ij Nij ij0 Bdr （5）
厘米级 厘米级
2.1 GPS定位测速技术（差分测速）
ij ij ij dti dtj Iij Ti j （6）
ij ij0 BdV
旋转矩阵 计算
姿态角
旋转矩阵
导航计 算
位置、 速度
2.2 INS导航定位技术（原理）
2.3 GPS/INS组合导航定位原理
强
基于无线电距离定位 互
定位精度不积累
补 性
容易受外界干扰
无姿态输出
基于物理积分定位 定位精度积累快 不受外界干扰 位置姿态同时输出
高精度时间/位置/速度/姿态
2.3 GPS/INS组合导航定位原理