组合导航系统设计解析
中等精度惯性卫星组合导航系统设计
中等精度惯性/卫星组合导航系统设计王超一 ZY1203209张天钧 ZY1203233张鑫 ZY1203234一、系统功能1)惯性/卫星组合系统简介组合导航是弹道导弹等大型空间飞行器导航定位技术主要的发展方向之一。
应用具有完全自主性的惯性导航系统和高精度卫星导航系统构成惯性/ 卫星组合导航系统，是最具有应用前景的组合导航架构。
全球定位系统(Globe Position 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。
为克服GPS和SINS各自的缺点，根据SINS和GPS的导航功能互补的特点，取长补短，构成一个有机的整体，提高系统的整体导航精度及导航性能以及空中对准和再对准的能力。
GPS接收机在惯导位置和速度信息的辅助下，也将改善捕获、跟踪和再捕获能力，并在卫星分布条件差或可见星少的情况下导航精度不致下降过大。
由于优点显著，SINS /GPS组合系统被一致认为是飞行载体最理想的组合导航系统。
2)系统基本构成组合导航系统的基本组成如图 1 所示。
在图 1 中，只保留惯性导航系统、卫星导航系统与信息融合系统，就构成惯性/ 卫星组合导航系统的基本组成。
其中惯性导航系统有陀螺稳定平台导航系统与捷联惯性测量组合导航系统 2 种类型。
捷联惯性测量组合精度较低，一般仅在中近程空间飞行器上使用。
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。
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
组合导航算法设计
INS/GPS组合导航算法设计1 引言目前单一导航系统难以满足实际要求，把两种或多种导航系统组合起来，应用最优估计理论，形成最优组合导航系统，使组合后的导航系统在精度和可靠性都有所提高。
本课题研究飞行器GPS/INS组合导航算法，通过对飞行器INS/GPS 组合导航算法设计，以VC++6.0为平台组建INS/GPS组合导航仿真系统，对组合导航算法进行实现。
并对飞行器的飞行状态进行仿真，仿真前预先设定飞行器的飞行参数（包括平飞、加速、减速、上升、下降、转弯等飞行动作以及每个动作开始结束的时间），通过设计的组合导航仿真系统得到飞行器的位置、速度、姿态角信息。
并通过MATLAB对INS/GPS组合导航解算出来的数据与预先设定的实际飞行数据进行比较分析。
惯性导航系统的优点是：（1）自主性强，它可以不依赖任何外界系统得支持，单独进行导航。
（2）不受环境、载体运动和无线电干扰的影响，可连续输出包括基准在内的全部导航参数，实时导航数据更新率高。
（3）具备很好的短期精度和稳定性。
其主要缺点是导航定位误差随时间增长，难以长时间的独立工作。
全球定位系统是一种高精度的全球三维实时导航的卫星导航系统，其导航定位的全球性、高精度、误差不随实践积累的优点，但是GPS系统也存在一些不足之处，主要是：GPS接收机的工作受飞行机动影响，当载体的机动超过GPS接收机的动态范围时，GPS接收机会失锁，从而不能工作，或者动态误差过大，超过允许值，不能使用。
且GPS接收机的更新频率较低（1HZ），难以满足实时控制的要求。
抗干扰能力差。
此外GPS导航受制于人。
因此GPS系统一般作为理想的辅助导航设备使用。
GPS/惯性组合导航，克服了各自的缺点，取长补短，可以构成一个比较理想的导航系统，GPS/惯性组合导航可以大大降低导航系统的成本。
随着MEMS技术的发展，惯导成本的降低都是组合导航系统发展的优势所在。
我们用组合导航算法将惯性导航单元的信息和GPS的信息进行综合，来补偿惯性元件的误差，修正速度、姿态信号，从而构成一个精度适中、结构紧凑、成本低廉的导航系统。
组合导航系统
➢ 测量方程 GPS伪距表达式为:
1
i
[(
X
i G
X i )2
(YGi
Y i )2
(
Z
i G
Z i )2]2
dtu
Vi
采用变分法,导出伪距误差方程：
i ei1 X ei2Y ei3 Z tu Vi
其中 tu为GPS接收机时钟偏差等效的距离误差 ，Vi 为测量白噪声
ei1
i X i
Pk
Pk
/k 1
Pk
H
/k 1 k
[Hk
Pk
H
/k 1 k
Rk ]1 Hk Pk/k1
[I Kk Hk ]Pk/k1
滤波增益
Hk
Pk
/
k
1H
k
[
H
k
Pk
/
k
1
H
k
Rk ]1
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波的性质
① 卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。 ② 计算估计的均方误差阵有三种等价形式：
完全自主的导航 可提供多种导航信息 ➢ 缺点： 精度逐渐降低。 初始对准时间长
卫星导航系统（GPS）： ➢ 优点：
定位精度高 精度不随时间变化 ➢ 缺点： 卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差易产生周跳
GPS系统与惯导系统具有互补的特 点
因而被认为是目前导航领域和大地测量领域 最理想的组合方式。
概述
卫星导航
Global Navigation Satellite System
第八章 船用惯性导航系统 与GPS的组合
本章内容安排
➢ 概述 ➢ 船用惯性导航系统 ➢ 卡尔曼滤波器 ➢ GPS/INS组合导航 ➢ 双差分GPS/INS组合导航系统 ➢ 推算船位与GPS的组合
一种低成本、高集成度的微型无人机组合导航系统设计
（ 河南省军区 郑州 ４ ５ ０ ０ １ ４ ）
摘
要
微 型 导航 系统 是 微 型 无 人 机 的 关 键 核 心 技 术 之 一 。论 文着 眼微 型无 人 机 导 航 系 统 一 体 化 、 小型化、 综 合 化 的发 展 趋 势 ， 基 于 低
成本 、 高 集 成 度 的惯 性 测 量 单 元 ＡＤ Ｉ Ｓ １ ６ ４ ０ ５和 ＧＰ Ｓ全 球 定 位 系统 ， 以 国产 ＡＲ Ｍ 微处理器为导航计算核心 ， 提 出 了一 种 新 的捷 联 惯 导 系 统 ／ ＧＰ Ｓ组 合 导 航 系统 设 计 方 法 。通 过 对 导 航算 法 的研 究 ， 硬 件 及 软 件 的设 计 ， 研 制了一套体 积小 、 精度 高、 实时性强 的组合 导航系统 ， 较 好 地 满 足 了某 微 型无 人 机 的需 求 。室 内试 验 和 车 载 实 验 均 表 明该 系 统导 航 精 度 高 、 性能稳定可靠 。
Ｃｌ ａｓ ｓ Ｎｕ ｍｂ ｅ ｒ Ｐ２ ２ ８
ｌ 引 言
微型无人机 因具有 体积小 、 重量 轻 、 携 带方便 、 隐 蔽 性
Hale Waihona Puke 受干扰 、 数据更新频率 低 ， 单独 使用也 难 以满足 高速 、 实 时 导航的要求 。因此 ， 利用二 者优 势 ， 组 合成 可 长时 间工作 、
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｋ ｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ＵＡＶ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎｔ ．Ｉ ｎ ｔ ｈｅ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ．ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ
飞行器组合导航系统的设计与实现
飞行器组合导航系统的设计与实现随着航空业的不断发展，飞行器的导航系统变得越来越复杂和精细。
如今，现代飞行器依赖于许多不同的导航系统，在航线规划和安全控制方面发挥着至关重要的作用。
其中，飞行器组合导航系统也成为了一项重要的技术。
飞行器组合导航系统是一种集成多个导航系统的技术，例如GPS（全球定位系统）、惯性导航系统（INS）、地面基准导航系统等等。
飞行员可以同时访问所有这些系统，以帮助他们在飞行中保持航向和高度。
与传统的单一导航系统相比，组合导航系统可以提供更高的精度和可靠性。
在设计和实现飞行器组合导航系统时，需要考虑多个因素。
下面将分别介绍这些因素。
1. GPS系统GPS是飞行器组合导航系统中的一个重要组成部分。
GPS可以提供精确的位置信息，有助于飞行员在飞行过程中准确地确定飞机的位置和目标航线。
在实际应用中，GPS通常需要与惯性导航系统相结合，以补充GPS在移动过程中的误差。
2. 惯性导航系统惯性导航系统采用陀螺仪和加速度计等仪器测量飞行器的位置和速度，没有外界支持就能提供垂直和水平方向的导航和位置数据。
由于惯性导航系统的误差是随时间积累的，因此在长时间飞行中，需要对系统进行校正和修正。
3. 地面基准导航系统地面基准导航系统是一种被动外部辅助导航系统，可以提供飞行器在地球表面上的准确位置和高度。
该系统使用地球表面上的接收器和天线接收GPS卫星的信号，并将信号地面位置与航班计划中的经纬度坐标进行比对，以确定飞行器的准确位置。
该系统通常用于在飞行离开GPS可用信号覆盖的区域时进行定位。
在实现飞行器组合导航系统时，需要考虑一些技术挑战和难点。
下面将列举这些挑战和难点。
1. 复杂的集成性飞行器组合导航系统需要将多个导航系统进行集成，这往往需要一定的软件工程技术。
此外，不同导航系统之间的数据传输也需要协调和管理，以保证数据的及时交换和正确性。
2. 高精度与高可靠性由于飞行器在飞行中面临风险和危险，因此要求导航系统具有高精度和高可靠性。
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》范文
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》篇一基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现一、引言随着科技的不断发展，导航技术在各行各业中的应用日益广泛。
作为现代社会的重要技术手段，导航系统的设计不仅涉及到多学科的知识融合，而且其实现过程的复杂性和精细度也在不断提升。
在众多的导航系统中，北斗/GPS/SINS（北斗卫星导航系统、全球定位系统、捷联式惯性测量系统）组合导航系统凭借其独特的优势和良好的互补性，逐渐成为了众多应用领域的首选。
本文将就基于嵌入式系统的北斗/GPS/SINS组合导航系统的设计与实现进行深入探讨。
二、系统设计概述（一）设计目标本系统设计的主要目标是实现北斗/GPS/SINS的组合导航，提高导航的精度和可靠性，满足各种复杂环境下的导航需求。
通过嵌入式系统的开发，将组合导航系统应用于各类设备中，实现高效、精准的定位和导航。
（二）设计原理本系统设计基于嵌入式系统技术，结合北斗/GPS/SINS的各自优势，通过数据融合算法实现组合导航。
其中，北斗和GPS提供全球定位信息，SINS提供高精度的姿态和速度信息，三者之间的数据通过算法进行融合，从而得到更准确、更稳定的导航信息。
三、系统硬件设计（一）处理器选择系统硬件的核心是处理器，本系统选择高性能的嵌入式处理器，具备强大的数据处理能力和良好的功耗控制能力。
（二）模块设计系统硬件包括北斗/GPS接收模块、SINS测量模块、数据传输模块等。
其中，北斗/GPS接收模块负责接收卫星信号并转换为数字信号；SINS测量模块负责测量姿态和速度信息；数据传输模块负责将处理后的数据传输给上位机或其它设备。
四、系统软件设计（一）操作系统选择本系统选择适用于嵌入式系统的实时操作系统，以保证系统的稳定性和实时性。
（二）软件开发环境搭建为方便开发，搭建了包括编译器、调试器等在内的软件开发环境。
同时，为保证软件的兼容性和可移植性，采用模块化设计方法进行软件开发。
导航原理_组合导航
Kalman滤波算法
白噪声
若随机过程 w(t) 满足
Ew(t) 0
E w(t)wT ( ) q (t )
则称 w(t)为白噪声过程，式中q称为 w(t) 的
方差强度。
Rudolf Emil Kalman
随机线性连续系统的数学模型
X (t) A(t)X (t) B(t)U (t) F(t)W (t) Z(t) H (t)X (t) D(t)U (t) V (t)
对于上述随机线性系统，噪声的假设与性 质如下：
系统的过程噪声W(t)和观测噪声V (t)为零均 值或非零均值的白噪声或高斯白噪声随 机过程向量；
定义 Q(t) 为系统的过程噪声向量 W (t) 的 方差强度阵，为对称非负定矩阵；R(t ) 是 系统的观测噪声向量V (t) 的方差强度阵， 为对称正定矩阵；
(4) 允许惯导系统进行动态初始对准与调整，既能减小 惯导系统的积累误差，又能缩短地面准备时间，提高快 速反应能力。
60年代以前，综合导航一般都采用频率滤波的方法 或古典控制中校正的方法，具体的形式是环节的校 正。60年代以来，滤波技术更加成熟，尤其是计算 机技术迅猛发展，使得综合方式转变为以Kalman （卡尔曼）滤波为主，即在两个（或两个以上）导 航系统输出的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统 的各种误差（称为误差状态），再用误差状态的估 值去校正系统，达到综合的目的。
由上式可见，系统成为三阶系统，可通 过适当选择参数K1、K2和K3，使原来无 阻尼的惯导系统变成阻尼综合导航系统 （也可通过引入外部速度信息来实现）。 此外，还可通过适当选择参数来改变自 振周期以得到所需的动态特性。
系统稳定后，从以上两式可得系 统的稳态误差为
由以上两式可见，在增加附加修正环节 和外部位置信息之后，在定位误差中， 消除了初始速度误差，而陀螺的常值漂 移只产生常值定位误差。平台的水平倾 角误差，只受加速度计误差的影响，其 它各项输入量产生的误差得到消除。因 此，这种综合系统与纯惯导系统相比， 提高了定位精度和姿态角精度。
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实现组合导航有两种基本方法： （1）回路反馈法，即采用经典的控制方法，抑制
系统误差，并使子系统间性能互补。 （2）最优估计法，即采用现代控制理论中的最优
估计法（常采用卡尔曼滤波或维纳滤波），从概 率统计最优的角度估算出系统误差并消除这些误 差。 这两种方法都使各个子系统间的信息互相渗透， 起到性能互补的功效。但由于各个子系统的误差 源和量测中引入的误差都是随机的，所以第二种 方法远优于第一种方法。
方式二：具有GPS接收机带宽控制及其惯性辅助的组合方 式
在INS/GPS组合系统中，设GPS接收机带宽控制及其惯 性辅助，最主要的好处是可提高GPS接收机的抗干扰和高 动态性能，他被认为是深组合的一个最重要的标志。在接 受机对输入噪信比J/S的估计和INS提供的载体动态指示 的基础上，控制信号跟踪环路带宽，可提高接收机对噪声 或干扰的容限，抑制载体动态所引入的跟踪误差。另一方 面，当跟踪环路在窄带方式下工作时，加入惯性辅助，可 基本上除去由载体动态所引入的跟踪误差，这样便克服了 环路抗干扰性能和高动态性能对环路带宽的矛盾要求。
INS/GPS组合导航系统，克服了各自的缺 点，取长补短，使综合后的导航精度高于 两个系统单独工作的精度。GPS接收机和 惯导导航系统的综合，根据不同的应用要 求，可以有不同的组合深度。按照组合深 度，可以把组合系统大体分为两类:
1 松散综合方式
松散综合(Loose Coupling)是一种简单 的组合，其特点是GPS和惯导系统仍独立 工作，综合仅表现在GPS辅助惯导。这种 组合方式又分两种：GPS重调惯导和位置、 速度信息综合。下面简要说明这两种组合 方式
现比开环校正复杂，且滤波器的故障会“污染 INS”的输出，可靠性降低。实际应用中，可根据
2 紧密耦合方式
紧密耦合的主要特点是GPS接收机和惯导系统相互辅助。属于这种方 式的主要有：
方式一：伪距、伪距率组合的广义卡尔曼滤波方式 这种组合是上述组合方式的改进，它直接采用GPS接收机的原始测量
数据——伪距、伪距率作为组合滤波器的观测量。这种情况下，滤波 器的状态方程是线性的，而量测方程是非线性的。 与上述组合方式相比，其优点有：由于使用的是GPS接收机原始的伪 距、伪距率观测量，而不是GPS接收机内部卡尔曼滤波器输出的位置、 速度，不仅提高了系统的导航精度，而且克服了上述组合方式中的相 关量测问题；卫星的几何配置效应直接反映在组合卡尔曼滤波器中， 减轻了不良几何配置所带来的系统精度下降；在可见星少于4颗的情 况下，也能在较短的时间内正常工作。组合卡尔曼滤波器不仅对INS 误差建模，而且能对GPS接收机时钟误差建模，从而可获得对GPS接 收计时钟误差的校正能力。
从卡尔曼滤波器得到的导航参数估计值有 两种利用方式：一种是将其作为组合导航 系统的输出，或者作为惯导系统输出的校 正量，这种方法称为开环法;另一种是将估 计反馈到惯导系统中，估计得到的导航参 数估计就作为惯导系统力学编排中相应的 参数，估计获得的误差估计就作为校正量， 将惯导系统中的相应误差校正掉，这种方 法称为闭环法
பைடு நூலகம்
与其他组合方式相比，这种组合的特点是 GPS接收机的码环及载波环和惯性器件在 原理结构上都局限于敏感元件的功能，它 们分别被当作GPS码及载波的测量信息源 和惯性加速度及角速率的信息源，这些敏 感元件的输出有一个高阶组合滤波器构成 的导航处理器进行处理。导航处理器把速 度或加速度辅助信息反馈给GPS跟踪环， 对它进行带宽控制和惯性辅助。
方式一：GPS重调惯导
它可以有两种工作方式：一种是用GPS给出的位 置、速度信息直接重调惯导系统的输出。实际上， 就是在GPS工作期间，惯导显示的是GPS的位置 和速度，GPS停止工作时，惯导在原显示的基础 上工作，并选用GPS停止工作瞬间的位置、速度 作为惯导系统的初值；另一种是把惯导和GPS输 出的位置和速度信息进行加权平均。在短时工作 时，第二种工作方式精度较高，但惯导误差随时 间增长，因此惯导输出的加权随时间增长而减小， 精度降低。
方式二：位置、速度信息综合 组合卡尔曼滤波器以INS的线性误差方程作为状
态方程，以GPS接收机和INS各自输出的位置、 速度之差作为观测量。滤波器的状态方程和量测 方程都是线性的。 组合滤波器直接使用标准离散卡尔曼滤波算法， 对INS的位置误差、速度误差、平台姿态误差以 及惯性器件误差作为最优估计。从而对INS进行 反馈校正。这种组合方式的优点是实现容易，可 大幅度提高系统的导航精度。这种综合方式的优 点是综合工作比较简单，便于工程实现，而且两 个系统仍独立工作，使导航信息有一定余度。
开环校正的优点是工程上容易实现，稳定 性高，滤波器的故障不会影响惯性导航系 统的工作；缺点是INS的误差是随时间积累 的，而卡尔曼滤波器的数学模型是建立在 误差是小量、取一阶近似的基础上的，因 此，在长时间的工作条件下，INS的误差不 再是小量，从而使滤波方程出现模型误差， 导致精度下降。
闭环校正的优点是INS的输出就是组合系统的输 出，其误差始终是小量，不会产生滤波方程的模 型误差，同时反馈校正减小了INS误差，从而使 INS误差动态模型简单化。另外，这种方法既修 正INS导航定位解，又高频校正INS误差参数， 因此，反过来又提高了INS对GPS的辅助能力， 特别是提高了周跳修复的精度；缺点是工程上实
7.1 INS/GPS组合导航系统的 设计方式
组合导航技术是指使用两种或两种以上的不同导 航系统对同一信息源作测量，从这些测量值的比 较值中提取出各系统的误差并校正之。采用组合 导航技术的系统称组合导航系统，参与组合的各 导航系统称子系统。由于惯导系统具有自主性、 隐蔽性、信息的全面性和宽频带等特有优点，所 以一般都以惯导系统作为组合导航系统的关键子 系统。又由于惯导系统和GPS导航系统性能互补， 故而以这两子系统构造出的组合导航是航空导航 的最佳方案