7INSGPS组合导航系统设计解析

1、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 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

2、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。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(LooseCoupling)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

3、：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 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

4、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。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

5、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。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G

6、PS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。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

7、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。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 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

8、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 7.2惯性导航系统（IN

9、S）的误差方程在建立卡尔曼滤波器时取惯性导航系统的误差作为状态变量，利用卡尔曼滤波估计这些误差并用这些误差反馈控制惯性导航系统，这种模式可以大幅度的提高惯导系统的精度。在这种系统中系统方程即是惯性导航系统的误差方程 1 姿态误差方程2 速度误差方程 组合导航系统的算法实现 图中给出了INS/GPS组合导航系统的基本原理，一个组合导航系统需要实现的几个功能模块包括捷联惯导SINS模块、GPS模块、卡尔曼滤波模块。对于带误差反馈的系统还要考虑误差反馈的方式方法。7.3基于MIMU的低成本INS/GPS组合导航系统的总体设计 本组合导航系统将六自由度惯性参数和GPS接收机的信息输入到高速微处理器，经

10、过运算处理后，把导航结果通过高速数据总线向外输出，输出参数包括加速度、角速度、姿态、位置、速度等信息。该系统采用微机械惯性器件的MIMU与GPS定位组合导航的模式，发挥了MIMU成本低与GPS定位精度高的优点，克服了单MIMU及单GPS系统的不足，能够满足航空炸弹制导化改进项目对组合导航系统的要求，也是当前导航技术研究的主要方向之一 本系统中，硬件的组成大体上分三个模块：六自由度传感器测量组合模块（MIMU）、卫星导航模块（GPS模块）、MIMU高精度数字量化处理模块、导航计算机模块、恒温控制电路模块、系统用高稳定低噪声隔离电源模块以及金属结构腔体。其中传感器模块包括：3个正交的MEMS陀螺与

11、轴重合的三个正交的MEMS加速度计。MIMU高精度数字量化处理模块包括信号调理电路、低通滤波电路和6个独立的24位A/D转换电路。其原理构成框图如图 导航计算机系统软件主要包括三部分：MIMU数据接收与误差校准模块、动基座传递对准模块和组合导航模块。1基于MIMU的INS/GPS组合导航系统的硬件设计 传感器模块的设计加速度计和陀螺是传感器模块乃至整个系统中的最关键部件。陀螺是敏感壳体相对惯性空间的角运动的装置。陀螺可分为两大类：一类以经典力学为基础，如刚体转子陀螺、流体转子陀螺、振动陀螺等；另一类以近代物理学为基础，如激光陀螺、光纤陀螺、核磁共振陀螺等。在各种陀螺原理中，振动陀螺原理最适合于

12、采用微机械技术来加工器件，振动陀螺的主体是一个作高频振动的音叉、梁或轴对称壳，它有音叉振动陀螺、压电振动陀螺和壳体谐振陀螺等类型。陀螺仪量得的是角速度资料，经积分旋转可以得到姿态信息，而经微分可得角加速度。 微加速度计的理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的定理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。结合陀螺仪（用来测角速度）就可以对物体进行精确定位 信号处理和量化模块的设计 传感器模块输出六路高信噪比的模拟信号，还要经过信号调理、低通滤波和24位高精度A/D转换，最终输出离散数字量到弹载计算机做信号处理、解算

13、。假定本组合导航系统控制系统的控制周期在5ms，要求组合导航带宽为50Hz，每路传感器输出型号处理的模拟低通滤波器采用了四阶巴特沃思滤波器，截至频率为100Hz。本系统的传感器模块中采用6个路独立的24位ADC，分别用于3个加速度计和3个陀螺信号的同步量化。每路A/D采集频率是1kHz。GPS接收模块和导航计算机GPS接收模块和导航计算机模块，GPS接收机通过串行总线以数据帧的形式输出导航参数信息，导航计算机通过串行总线与之通讯。导航计算机采用TMS320C6713系列，具有2个RS-422串口、3个RS232，串口具有128字节FIFO，3个外部输入可中断16位定时/计数器，导航计算机自带接口驱动程序。可以完成与卫星接收机的通讯，与微机械惯性测量组合的通讯。同时导航计算机还要完成与地面模拟仿真计算机的通讯。卫星定位接收装置GPS采用RS-232串行通信，波特率为230400bps，同时输出1PPS秒脉冲同步信号。定位精度（1）10m，速度精度（1）0.1m/s，数据输出速率10Hz，