7INSGPS组合导航系统设计解析
GPS
GPS卫星分布在 6 个轨道平面内，每个轨道分布有 4 颗卫星，各轨道平面升交点的赤经相差 55 度。
轨道倾角为 55 度，各轨道平面之内相距 60 度，在距地球 20200 公里的高空中运行。
GPS与INS（惯性导航）按综合深度可分为松散综合和紧密综合两类GPS系统属于被动式导航定位系统，北斗双星导航定位系统属于主动式导航定位系统。
（填主动式或被动式）GPS的英文全称是 Global Positioning System ，汉语意思是全球定位系统。
不同空间直角坐标系间的转换，布尔萨七参数模型中，七个参数分别是ZYX∆∆∆、、，mzyx,,,εεε在开普勒七参数中，椭圆长半径s a，偏心率s e，真近点角s f唯一地确定了卫星轨道的形状、大小及卫星轨道上的瞬时位置。
卫星轨道六要素有升交点赤经Ω轨道倾角i 近地点张角w 轨道长半轴a 轨道偏心率e 真近点角Mf 。
GPS的星历数据和用户定位数据都采用 WGS-84坐标系坐标系统。
电磁波的频率越小，电离层折射的影响大。
GPS信号包括载波信号测距码和导航电文等信号分量，其中测距码码又包括 C/A 码和 P 码。
导航电文主要包括卫星星历、卫星钟改正参数时间系统工作状态信息以及由C/A码确定P码的交换码信息。
GPS定位建立在全球大地系统的基础上，它是以为地球质心原点与地球固连得坐标系，属于协议地球坐标系坐标系。
GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。
为了描述卫星之间的几何关系，引入了几何精度因子的概念。
它反映了由于几何关系的影响造成的测量精度与用户位置间的比例系数，与坐标系的无关选择。
（填有关或无关）在GPS定位中，影响测量的偏差可以分为与卫星有关的偏差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的偏差三类。
根据GPS/INS组合导航系统中GPS与INS两系统间的信息交换的深度可以把组合系统的功能结构分为非耦合方式、松组合方式、紧组合方式。
GPS系统主要由卫星星座地面控制系统接收机三大部分组成。
GPS组合导航系统设计的开题报告
基于DSP和CPLD的SINS/GPS组合导航系统设计的开题报告一、选题背景惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU）和全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是目前最常用的导航设备。
IMU可以在没有外部参考的情况下，测量飞行器的加速度和旋转角速度，从而提供飞行器的姿态、位置和速度等信息。
GPS则能够根据卫星信号定位飞行器的位置和速度。
因为IMU和GPS都有其局限性，所以现在常常将两种设备结合在一起使用，以提高导航定位的稳定性和精度。
基于DSP和CPLD的SINS/GPS组合导航系统将IMU和GPS集成在一起，实现更为精确和可靠的导航定位。
DSP主要用于数字信号处理和滤波，提高IMU信号的稳定性，CPLD则用于实时控制信号的采集和处理。
此外，组合导航算法的设计也是本系统的重要内容之一。
二、研究目的本研究的目的是设计并实现基于DSP和CPLD的SINS/GPS组合导航系统。
通过对系统的建模、组合导航算法的设计和系统实现的优化等多个环节进行研究和改进，提高导航定位的精度和稳定性，以满足飞行器对导航系统的高要求。
三、研究内容和方法1. 系统总体设计：包括硬件和软件两个方面，其中硬件主要包括IMU、GPS、DSP和CPLD四个模块的设计和实现，软件主要包括组合导航算法的设计和实现。
2. 信号处理：采用卡尔曼滤波等数字信号处理方法，优化IMU信号的稳定性和精度。
3. 组合导航算法的设计：利用IMU和GPS的测量数据，采用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、粒子滤波等算法，对飞行器的姿态、位置和速度等信息进行估计。
4. 系统实现优化：通过对系统的实验和测试，对系统性能进行评估和优化，提高导航定位的精度和稳定性。
四、研究预期结果本研究的预期结果包括：1. 设计并实现基于DSP和CPLD的SINS/GPS组合导航系统，并测试其性能。
2. 通过优化IMU信号处理和组合导航算法，提高导航定位的稳定性和精度。
组合导航
测绘与国土信息工程
组合导航系统容错方案
随着现代数学、现代控制理论及计算机技术的发展， 组合导航在其研究过程中，在以提高导航精度为主要 目标的同时，逐步从单纯的组合导航系统向着容错组 合与智能组合的方向发展。这就要求在卡尔曼滤波信 息融合过程中,应具有故障检测与容错的功能。 容错滤波技术的作用就是正确地提取各个导航系统的 信息，它的一个重要功能是判断各子系统的信息。当 局部系统发生故障时，对故障进行有效检测并完成在 有故障情况下的滤波处理，以保证整个系统的输出不 被错误信息污染。
测绘与国土信息工程
扩展卡尔曼滤波
在状态方程或测量方程为非线性时，通常采用扩展卡尔曼滤波 (EKF)。EKF对非线性函数的Taylor展开式进行一阶线性化截断 ，忽略其余高阶项，从而将非线性问题转化为线性，可以将卡 尔曼线性滤波算法应用于非线性系统中。这样以来，解决了非 线性问题。EKF虽然应用于非线性状态估计系统中已经得到了学 术界认可并为人广泛使用，然而该种方法也带来了两个缺点， 其一是当强非线性时EKF违背局部线性假设，Taylor展开式中被 忽略的高阶项带来大的误差时，EKF算法可能会使滤波发散；另 外，由于EKF在线性化处理时需要用雅克比(Jacobian)矩阵，其 繁琐的计算过程导致该方法实现相对困难。所以，在满足线性 系统、高斯白噪声、所有随机变量服从高斯(Gaussian)分布这3 个假设条件时，EKF是最小方差准则下的次优滤波器，其性能依 赖于局部非线性度。
1960年发表的论文 《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problem（线性滤波与预 测问题的新方法）
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
双天线GPS-SINS组合导航系统设计
双天线GPS/SINS组合导航系统设计摘要：利用双天线定向gps与光纤陀螺进行组合，以基于dsp+fpga多处理器结构作为导航计算机平台，应用卡尔曼滤波算法将gps姿态信息作为量测量对惯性导航系统进行修正。
通过跑车实验验证该系统具有实时性好，运算精度高等优点。
关键词：定向gps 组合导航卡尔曼滤波引言现代导航系统要求能够实时、准确的获取载体运动信息。
目前，在组合导航领域gps/sins组合导航系统因具有高精度、低成本、结构简单等优点，已经成为最热门的研究方向。
而gps/sins组合导航大多都是以位置，速度作为量测量来修正惯性导航系统，随着gps定向系统的逐渐发展，以姿态、位置和速度的全组合方法正在成为研究热点[1]。
本文根据gps/sins全组合导航系统的机理和特点在基于dsp+fpga的导航计算机平台上设计了可靠的信息融合技术，通过相关的试验表明本系统具有较好的效果。
一、组合导航系统软硬件设计1导航计算机总体设计为了便于野外跑车试验，本文中导航系统采用一体化、模块化设计：通过接口将导航计算机固连于imu器件内，计算机与imu方便更换。
imu数据更新率是200hz，而gps数据输出频率为1hz，因此计算机必须能够在5ms内完成整个系统算法运行。
单纯的采用一个核心处理器的方法不能够满足系统实时性要求，此计算机采用了dsp+fpga双核设计方式，dsp选用ti公司的tms6747而fpga型号为xilinx公司的xc3s500e。
系统硬件结构如图1所示。
其中，dsp6747主要负责imu解算，卡尔曼滤波等数据处理算法，6747具有高性能的浮点运算能力，最高主频可达到450mhz，能够实现高速运算。
fpga主要完成外部接口扩展（2路rs232口，1路rs422口），数据的采集与传输及逻辑时序控制。
2组合导航系统的量测方程将定向gps作为修正数据时，系统量测值包括位置、速度和姿态。
位置量测值为惯导系统与gps给出的纬度、经度和高度差，相应的速度量测值为惯导系统与gps给出在惯性系统中各坐标下的差值，而惯导系统与双天线gps给出的姿态差值作为第三组量测值。
GPSSINS组合导航系统应用研究的开题报告
GPSSINS组合导航系统应用研究的开题报告一、选题背景随着技术的不断发展和应用的不断深入，导航技术在生产、工业、军事等领域中得到广泛的应用，GPSSINS (GPS and Inertial Navigation System) 组合导航系统是一种基于全球卫星定位系统和惯性传感器的一种高精度导航系统。
本研究旨在深入研究 GPSSINS 组合导航系统的原理和应用，为系统的进一步开发和应用提供理论基础。
二、选题意义1.提高导航系统的精度和可靠性传统导航系统存在一些局限性，例如GPS 系统在城市可以信号干扰，惯性测量单元（IMU）的漂移问题等。
组合导航系统使用 GPS 和 IMU 数据来消除两个系统的误差，并提高系统的精度和可靠性。
2.推动航空航天科技的发展GPSSINS 组合导航系统广泛应用于飞机、导弹、卫星等航空航天领域，具有重要的战略意义。
研究 GPSSINS 组合导航系统技术，可以推动航空航天科技的发展。
3.应用于智能驾驶、自主导航GPSSINS 组合导航系统具有较高的精度和可靠性，可以应用于智能驾驶、自主导航等领域。
研究 GPSSINS 组合导航系统可以为智能驾驶、自主导航技术的进一步研究提供理论基础。
三、研究内容和方案1. GPSSINS 组合导航系统原理研究探究 GPSSINS 组合导航系统原理，包括 GPS 定位原理、惯性导航原理和组合导航原理，阐述 GPSSINS 组合导航系统中 GPS 和 IMU 的数据融合方法。
2. GPSSINS 组合导航系统应用研究针对 GPSSINS 组合导航系统在航空航天领域、智能驾驶、自主导航等领域中的应用进行深入研究，比较 GPSSINS 组合导航系统和传统导航系统等优缺点，分析其应用前景。
3. 系统仿真分析针对 GPSSINS 组合导航系统进行仿真分析，评估其精度和可靠性，并对系统进行优化。
四、研究计划第一阶段：1. 文献调研，深入了解 GPSSINS 组合导航系统的原理和应用；2. 学习 GPS、惯性传感器等相关知识。
GPS／INS组合导航系统时间同步方法综述
导航 时 间 同步 方 法 可将 其 分
为 三类 ： Ｓ接 收 机 １Ｐ Ｓ输 入 Ｉ ＧＰ Ｐ ＮＳ的 时 间 同步 方法、 Ｐ Ｇ Ｓ接 收 机 １Ｐ Ｓ输 入 公 用 时 间 同步 模 块 Ｐ
功能 数据 采集 卡 由模 拟信 号输 入／ 出 、 数器 ／ 输 计 计
０ 引 言
ＧＰ Ｓ具有 定 位 精 度 高 、 差 不 随 时 间积 累 等 误 优点， 而且 ， 载波相 位 观测值 时 ， 用 其定 位精 度可 以
同步产 生 的原 因 ， 纳 了组合 导航 时 间同步 的实 现 归
思 路 ， 阐述 了现今 典 型的 时间 同步方 法 。 并
达 到厘 米级 ， 是 ， Ｓ也 存 在 着 信号 容 易 受 到 遮 但 ＧＰ
时器 和数 字 ＩＯ 线 等 组 成 ， ｉ 用 了 多 种 方 法 对 ／ Ｌ使 Ｃ Ｓ Ｅ Ｓ所 能达 到 的 同步 精度 进 行评 价 ， 得 出所能 并 实 现 的时间 同步 精 度 是 ０ ４ｍｓ 该 方 法 引 入 了 一 ． ． 种使 用 Ｄ ａｄ作为 公 用 时 间 同步 模 块 进 行 数 ＡＱ Ｃ ｒ 据 采集 的思 路 ， 只需 选 择 合 适 的 数 据 采 集 卡 ， 据 根
・
５ ４・
全
球
定
位 系 统
第３ ７卷
在着 输 出时延 ， 体体 现在 ： Ｓ接 收机 和 Ｉ 具 ＧＰ ＮＳ的 内部 时延 （ 量 、 样 、 数 转 换 等 产 生 的 时 延 ） 测 采 模 、 Ｇ Ｓ接收机 和 Ｉ Ｐ ＮＳ的导 航 信息 传输 到组 合 导航 信 息 融合滤 波器 过程 中的传输 时延 （ 口时延 等 ） 导 串 、 航信 息处 理过 程 中产生 的时 延 、 脉 冲信号 的不 稳 秒
SINSGPS组合导航系统研究的开题报告
SINSGPS组合导航系统研究的开题报告一、选题背景随着技术的不断发展和广泛应用，导航系统成为现代社会中不可或缺的一部分。
全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）作为一种基于卫星技术的导航系统，已经成为了多种领域中的标准和基础设施，例如汽车导航、无人机、船舶、航空和军事等领域。
由于GPS只能提供位置和时间信息，无法检测飞行器的方向和速度，所以需要与其他导航系统进行组合，从而实现更为精确的导航和定位。
因此，基于SINSGPS组合导航系统的研究成为了当前一个热门课题。
二、研究目的本论文旨在探讨SINSGPS组合导航系统的优点、组成部分、工作原理和应用场景，分析其在航空航天技术中的应用，并且对SINSGPS组合导航系统进行实验验证，从而验证其在实际应用中的性能和效果。
同时，将对其应用进行展望，探讨未来可能的发展方向和应用领域。
三、研究内容（1）SINSGPS组合导航系统的基本原理和组成部分（2）SINSGPS组合导航系统在航空航天技术中的应用场景（3）SINSGPS组合导航系统的性能和效果分析（4）SINSGPS组合导航系统的实验验证（5）SINSGPS组合导航系统的未来发展方向和应用领域展望四、研究方法论文的研究方法主要包括文献搜集、实验验证、数据分析和模型仿真等方法。
首先，通过文献搜集获取和整理与SINSGPS组合导航系统相关的资料和信息，深入掌握其基本原理、组成部分和工作原理。
接着，进行实验验证，通过实验数据的分析和模型的仿真，验证SINSGPS组合导航系统在实际应用中的性能和效果。
最后，根据实验数据和模拟结果，进一步分析其未来发展方向和应用领域。
五、论文结构本论文将按照以下结构展开：（1）绪论：概述本论文的研究背景、目的、方法、意义和论文结构等，引出本文的主要研究内容和重点。
（2）基本原理：对SINSGPS组合导航系统的基本原理进行深入介绍，包括组成部分、工作原理和优点。
GPS组合导航系统连续导航算法的研究与实现的开题报告
SINS/GPS组合导航系统连续导航算法的研究与实现的开题报告一、选题背景SINS/GPS组合导航系统是一种将惯性导航系统和全球定位系统(GPS)有机结合的导航系统，它同时融合了SINS系统的高精度和GPS系统的全球覆盖性，能够在航行过程中对飞行器的位置、速度等状态参数进行多次更新。
近年来，SINS/GPS组合导航系统已经广泛应用于导弹、飞机、船舶等航行器中，取得了良好的效果。
其中，连续导航算法是SINS/GPS组合导航系统中最常用的算法之一。
它具有实时性好、稳定性高、反应迅速等特点，在实际应用中得到了广泛的应用。
因此，研究和实现连续导航算法对于改善SINS/GPS组合导航系统的性能，提高飞行器导航精度有着重要的意义。
二、选题的研究内容和目标本论文将从以下两个方面进行研究：1. 连续导航算法的理论分析和研究在理论分析方面，本论文将研究和分析连续导航算法的原理和实现方法，探讨其特点、优势和不足之处。
具体包括：- 连续导航算法的数学模型和基本原理- SINS/GPS组合导航系统中的误差来源与处理方法- 连续导航算法的主要实现步骤和流程- 连续导航算法在不同应用场合中的适用性和局限性2. 连续导航算法的实现和验证在实现和验证方面，本论文将基于Matlab软件平台，采用仿真方法进行实现和验证。
具体包括：- 基于Matlab软件平台设计实现连续导航算法- 利用飞行器运动轨迹数据验证连续导航算法的可行性和精度- 对连续导航算法在不同误差情况下的鲁棒性进行评估和分析研究完成后，本论文旨在实现一个高效、准确的连续导航算法，并通过仿真实验验证其准确性和鲁棒性，为SINS/GPS组合导航系统的发展和应用提供一定的参考和借鉴。
三、研究方法和步骤本论文的研究方法和步骤如下：1. 研究文献并了解研究现状及发展趋势对相关文献进行搜集和阅读，了解SINS/GPS组合导航系统的发展现状和趋势，以及连续导航算法的理论和实践研究进展情况。
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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。
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。
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
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 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 具体要求选择不同的校正方法，也可两种方法混 合使用
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：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。
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
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
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。
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。