GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

G SI S组合导航系统松、紧耦合性能比较 P/ N

周星伶

20 0 7年 1 2门笫 3卷第 4期 ( 8总第 19期 ) 2

GP/ S组合导航系统松、紧耦合性能比较 SI N周星伶(北京航空航天大学电子信息_丁程学院，北京 10 8 ) 003

[摘

要]对 G SIS组合导航系统的紧耦合算法进行了理论推导。详细分析了当 I P/ N NS元器件性能变差时，

G SIS组合导航系统在不同耦合模式下的定位精度变化规律，得出采用紧耦合模式的组合导航系统比一般的 P/ N

松耦合方式能获得更好的定位精度；并通过仿真验证了该结论的正确。[关键词]组合导航；卡尔曼滤波技术：紧耦合；松耦合

[中图分类号] 29 2文献标识码]文章编号]061 1 (07 4 0 I 6 V 4.[ 3 A[ 10— X 2 0 )0一 0一 4 O 0

Th ro m a c m p rs n Bewe n Lo s u l ga d ePe f r n eCo a io t e o eCo p i n n Tih u l g o g t Co p i fGPS I n e r t d Na i a i n S se n/NS I tg a e v g to y t mZHOU n—i g Xi g ln

(co l f l t n s n fr ai n i ei,e i i ri f rn ui d t n ui, Sh o o e r i dI om t n gn r g in Un esy o at s n r at s E co ca n o E e n B j g v t o Ae c a Aso cB in 0 0 3 h a e g10 8, i ) j i C n

Ab ta t sr c:

I hs p pe,te Al o i m ft h o p ig ofte i tg ae a i ai n s se i t d e;a d t e n t i a r h g rt h o i tc u l h ne rt d n v g to y tm s su id n h g n

prc so nd fee tc u l gm o ef rGPS I S itg ae a i ai ns se i as n l e ysm u ainwh nt e e iini ifr n o p i d o n/N n e rt dn vg to y tm s loa ayz db i lt e h o D ro ma c fI e o e rd d. ttm so t h tGP

S I n e r td n vg to y tm s d o ih o p ig e f r n eo NS b c med g a e I u u a t/NS itg a e a iai n s se ba e n t tc u ln g

c ng thg e r cso h nt a y GPS I ne rtd n v g t n s se b s do o s o p ig Th o cu in i a e ih rp e ii nt a tb h/NS i tg ae a ia i y tm a e n I o ec u l . e c n l so s o np‘v nc re t i i a in l e o r c asmulto . o v

Ke y wor s itg ae yse d:n e rt ds tm; Kama l r t h o p ig l s o pl g l nf t; i t u l; oo ec u i i e g c n n

据，而是经过数据处理得到的计算测量，因而各量

引言随着无线电技术的迅速发展，人们对导航系统的精度及可靠性等方面都提出了越来越高的要

测间存在一定的相关性，它将会给进一步的组合导

航带来一定的问题。卫导接收机提供的伪距、伪距率信号是接收机接收后的原始信息，不需要经过导

求。然而，任何单一的导航系统不可能完全满足这航解算，各个伪距、伪距率信号的误差独立、互不种需要，并且，对任何单一的导航系统的改进都又 相关。伪距、伪距率组合便于卡尔曼滤波器的设计有一定的限度，进一步的改进则更加困难，_是，丁发展组合导航技术是进一步提高定位精度的必然趋势。 由 G S提供的位置和速度并仆原始量测数 P

与实现，便于组合导航系统的一体化设计。另外，伪距、伪距率组合方式的测量方可观性人人增强，理论上的组合效果比值萱、速度组合方式，

但是其计算工作量火，精确补偿伪距误差有一定的

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

D cmbr 0 7 o.8 o4 sr l .2 ) ee e 20 1 .(e aNo19 V 3N i

航空电子技术

A I I S T C NO O Y V ON C E H L G

难度。

应过程中应跟据实际情况进行选择合

得到惯导和卫导系统误差状态的最优估计，然后对

适的组合模式。

两个系统校正，因此目前 G S1 S组合时一般采 P/ N用紧耦合

组合模式。

本文采 J了松、紧两种耦合模式对 G SI S L}』 P/ N进行人量的仿真实验，发现 I性能变差，陀螺 NS即仪、加速度计精度下降时，紧耦合模式其组合定位‘

3卡尔曼滤波技术 31卡尔曼滤波简介 . 卡尔曼滤波是一种线性最小方差滤波方法， 它采用状态方程和量测方程来描述随机线性系统，

精度比松耦合模式的组合获得的定位精度更好。

2组合导航系统原理

全球定能系统【’】定位和测速精度高，基本不受按照估计状态误差的方差最小的准则，从被测量噪地域、时间限制；但是当载体作大机动飞行或有地形遮手时，G S导航信息有可能中断，或动态误当 P差过人，不能使川。惯性导航系统 (NS I )利用陀螺仪、加速度计惯性元件得到移动目标的位置和速

声污染了的量测值中实时地估计出系统每一时刻的各个状态。卡尔曼滤波是一种递推、线性的最优估

计，包括预测 (外推)和估计两个过程。卡尔曼滤波在计算方法上采用递推形式，即

度；仅靠系统本身能在全天候条件下，全球范围内 自主地、隐敞地提供多种较高精度的导航参数。但其缺点是误差(尤其是位置误差)时间积累。由于随

在前一时刻估计的基础上，递推得到当前的状态预测值，再依据当前的测量值对其进行加权修正。由 于一次仅处理一个时刻的测量值，所以计算量少，而且也不需要储存过去的量测值，故存储量也少。

G S和 I S的精度和使用范围都有一定的限制， P N冈而如何将各种传感器的测量信息加以综合利用， 既能克服 GP定位问断或失效的缺点，又能克服 S I NS定位误差随时问积累的缺点，最大限度地提取有H信息，保障定位的连续性，成为导航系统要解 J决的基本问题。而解决这一问题的最佳方案就是采

因此卡尔曼滤波器易于在计算机上实现。32卡尔曼滤波的基本方程 . 虽然工程实践中遇到的对象经常是连续系统，但是在计算机上实现卡尔曼滤波器时，连续系统的状态方程需离散化为差分方程，所以这里讨论离散型卡尔曼滤波的基本方程。 设离散化后的系统状态方程和量测方程分别为：

川多传感器融合技术，研制各种实用的组合导航系统。GP/ SI NS综合克服了各自缺点，取长补短；

利川尔曼滤波融合方法使用 G S信息修正惯导系 P

统的信息，减小系统误差，使综合后的导航精度高丁两个系统单独工作的精度。根据不同的应用要求，l和 G S的组合可 NS P

j Ck+k一 f X ) I F1 l kX 1 .— f Z=H X+式中：

…

以有不同层次的组合。按照组合深度的不同，可分为松耦合方式和紧耦合方式。在松耦合结构中， S GP㈧

表示k时刻( X ), 维系统状态矢量： 71是 k一1时刻的系统状态矢量； 为 k一1时刻系统的转移矩阵；

接收机独立了惯导系统]作中，它只是将 G S的 - P输出直接送到惯性导航处理器，使惯性导航的输出 调整剑 G S的位置和速度上，利用 G S的导航解 P P使惯性导航位置和速度估值重新初始化，方法虽然一一

从一l

】

是k时刻( 1维系统噪声矢量；—l, 7 ) X

。

是系统噪声驱动矩阵；

简单，但因其 G S接收机抗干扰能力有限，所以 P 定位精度低。紧耦合是高水平的组合方式，用卫导 给山的星历数据和惯导系统给出的位置利速度来计算相应的伪距和伪距率，把该值与卫导测得的伪距

Z表示k时刻的( 维测量矢量； X ) 1为k时刻的(,维观测矩阵：× 2 )是 k时刻 (×1维量测噪声。 ) 同时，,和是互不相关的零均值白噪

和伪距率的比较结果作为测量值，使川卡尔曼滤波1

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

G SI S组合导航系统松、紧耦合性能比较 P/ N

周星伶

20年 1 07 2月第 3第 4期 (第 19期 ) 8卷总 2

声序列，即：

从图 1可明显看出卡尔曼滤波具有两个计算回路：增益计算回路和滤波计算回路。在一个滤波周期内，从卡尔曼滤波使用系统信息和量测信息的先后次序来看，卡尔曼滤波具有两个明显的信息更新过程：外推 (时间 )更新过程和滤波 (量 )更测新过程。

E一=0,【 1] C v￣, j=日一] 一 oW _ W] 1 1 = 1 E] 【=0,

Cv￣:[V] R oV, EV]= ] kC v k j=研一 j] oW -] 1 T=0 v其中： Q为系统噪声方差矩阵，是非负定的；}

4组合系统模型

R为测量噪声方差矩阵， 是

正定阵；是 Koee% r kr 41状态方程 n .函数：

采用 I系统，以东北天地理坐标系为导航 NS

1 kJ f≠ 01 k:,

坐标系，建立 G SI P/ NS组合系统的状态方程。

当 G SI组合系统采用伪距、伪距率进行 P/ NS组合时，系统状态仍由两部分构成：一是 I的 NS误差状态，二是 G S的误差状态。 P I NS的误差状态方程为：』 f= () ()』( () () txI f+G f ) f () 8

如果离散系统满足上述要求，则离散系统的状态最优估计可以采用如下步骤求得： 状态一步预测=

X

( 2)

式() 8采取的是 I误差传播方程，其中各参数阵 NS状态估计X=一

的设计参看文献[】 2。

】+K Z一Z】【 一]

() 3

G S的误差状态，在伪距、伪距率组合系统 P

滤波增益Kk: P￣ 1 k-

中，通常取两个与时间有关的误差：一个是与时钟

日一 1

H+ I 】一+ 1一

(误差等效的距离误差 4 )( ) 5

,另一个则是与时钟频率

一

步预测均方误差肛 1= I- k11 一 1一 1

误差等效的距离率误差 f。 G S的误差状态 6 P6“=8r f i t“+“、

的微分方程分别为：( 9) ( 0) 1

估计均方误差

:— 或=

,

— H+ R

() 6

6=一 r 6— f i “ t+ r“

将其写成矩阵形式，即：

c K, 一

() 7

G () f=

( xG (+GG() () t ) f ) f f

( 1 1)

式 (1)即为离散型卡尔曼滤波基本方程，可用图 1来表示。

将 IS误差状态方程与 G S误差状态方程合并， N P 则得到伪距、伪距率组合系统的系统状态方程：

o7" , 1 ' 1口：

,(3 1)为

莉：F f+G f (删 ) ( )’其中：刑∈R为状态变量； F f∈R ( )

系统状态一步转移矩阵；

eR ¨为系统驱动噪

声阵 i 6, R l l系统噪声驱动矩阵； FO ( x为 ) l ( N

系统状态转移矩阵；w(为系统驱动噪声阵。取系 O图 1卡尔曼滤波流

程框图

统状态矢量为：

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

D cm e 2 0 o.8 o4 sr l .2 ) ee br 0 7 1 (ei 19 V 3N aNo:

航

电 _技术了

A ONIS T C NO OG VI C E H L Y

【[

△△△^

△, J1 “、、

Z(= p )(+P ) pt ( t ( ) H t ) f一 X~‘

() 1 7

其中：标 u为东、北、天二个轴向；

将伪距量测方程式与伪距率量测方程式合并成组合导航系统的量测方程【,组合系统的量测方 4 1程可以表达为：z=

为平台误差角；△、 A L、 A为经纬高位置误 h

差；△、△、△为速度误差。 42量测方程 .

以伪距、伪距率作为观测量：在组合导航系统中，设 I NS的位置为

[+:+ c [] ]=; 8

5仿真实例及分析 这里通过仿真实例来进一步分析 G S N P/ S组 I合导航耦合方式。改变陀螺仪和加速度计的性能，

(,:,由卫星星历确定的卫星位置为 ,, )1

XS

,

则可以通过计算得到 I测量所 NS

在的位置伪距，,同时，设 GP接收机测量得到 S的伪距为。那么选抒 IS和 G S两者伪距之差 N P和两者伪距率筹作为组合导航系统的观测量。 伪距著颦测方 11￣[: 1 -6= p一pj d e' Y e3 z d U 1 ) p i I:eix j d d t j 2 j j 45 d s o一( N+h s c s d x h o￡cs c R )i o L~( N+h s )cs n￡ A R ) i .o n l=d s s 一 R+I s￡ i 2 L+( N+h c s o￡ ho￡i c n (N 1 i sn d )n R )o c s 1

仿真在不同耦合方式下，得到 G SI S组合导航 P/ N定位精度变化。在组合系统算法(中，由于 G S 1 P位置、速度的输出频率为 2H,因此卡尔曼滤波 0z的频率也为 1Hz设置飞行器初始位置为东经 5。 l3。,北纬 3 _。,高度为 50 . 1. 0 73 000 m,飞行轨迹

采取由东向 20/半径为 3 00作匀速圆周运 0m s, 0 0m动，仿真时问为 30 s 60。为了得到量测数据，首先

:=^ i￡+( N

(一P+^ CS d s n R 1 ) )O L L

由轨迹发生器仿真得到一条可以给出飞机位置、速度等参数的飞行轨迹，再由卫星仿真器求得飞机轨迹上每一点的所有可见星的位置、速度：由可见并星的位置、速度平飞机的位置、速度得到伪距、伪¨距率等。表 1 I NS元器件技术指标

其中：

为 I的相应伪距簧测值； G为载体 NS

上 G S接收机相对丁星 S测得的伪距： e P

e2,e3/ j为第 J颗卫与用户之间的方向余弦； f为钟著； Vj p为伪距昔测噪声。冈为J SI组合系统进行导航时，GP { GP/ j NS S接收机至少选择 4颗星来解算载体位置和钟

芹，取/,所以可以得到伪距差量测方程，即：≥4z,=Hp( (+ (口( ) f f f ) ) ) ( 5 I)

表 2量测噪声方差量测噪声方差水位置 ( m)垂向位置 ( m)水平速度 ( s m/)

式中： H f为量测阵， p( )伪距率量测方程：

(为量测噪声。, )

参数值l O OO 0. l . 2 * 00 00 2 O 1 . Ol O 2 O2 . . l O+ O. O. l O

(一∥ j a j df 3￣ t+ J ( 6) lk+ 2 .+ j d-￣+d, p“ I=一

面￡ sn一面Ⅳ C S i O五sn￡+d U C S O v O￡C S

6=& E O u C SA—d N i i d U O i o snA sn L o CS s L n 6 i= d N O o C SL+ d U i o s L n

垂向速度( s m/ )伪距 ( ) m

其中：芘为接收机伪距率；

为 IS伪距变化 N

伪距率( s m, )

O1 Ol .

率； d,为频著； vj为伪距率量测噪声。 t p 取/ 4 ,即 GP S接收机同时观测 4颗以上的

表 1和表 2给山了仿真时 I NS元器件的相关信息以及导航系统餐测噪声。 对 G SI P/ NS组合导航系统，在以下 3种不同4

卫星，则可以获得伪距率量测方程：

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

G SI P/ NS组合导航系统松、紧耦合性能比较

州星伶

20 0 7年 I] 3卷第 4期 ( 2J第 8总第 19期) 2

情况下进行了大量仿真：

供的速度辅

助，惯导系统辅助使 G S接收机在高 P动态情况和干扰环境下更好地作，并能增加它抵 l 抗干扰的鲁棒性；( )未经处理过的伪距和伪距率 2

( )陀螺仪漂移变人； 1 ( )加速度计零偏变人： 2

( )陀螺仪漂移，加速度计零偏同时变火。 3

测量结果可以直接送入尔曼滤波器，以改善它对

由丁篇幅所限，本文给出了具有代表性的北惯导系统的更新，从而使系统获得更好的导航性向何置定何的部分仿真曲线。首先给出了松耦合分能。所以对组合导航系统进行紧耦合结构的仿真，别住 3种仿真条f:的实验结果：, I下北向位置谩差曲线n In ae 1

可以得到与松耦合同样仿真条件下的实验结果。

陀仪置逝e)偏.)螺漂向谩线竺 (eg北差 5-{"零 0立—矗 1 5

…陀仪移。…一…5.图螺’ h加度零(eg 5…漂 5,速计偏. )…/~’ 5 00

3陀螺仪漂移 00。,加速度(. -)g ./ 5h 5 e3 0北向位置误差曲线 0 e

图 6陀螺仪漂移 0 56,加速度(. -)g .0 0 50 3 e北向位置误差越境Ot—一) jn e

图 4陀螺仪漂移 5/,加速度计零偏(.一)￣ h 50 3g e

与松耦合结构相比，紧耦合结构有以下各项优点：( ) P 1 G S接收机能够充分利用惯导系统提图 7陀螺仪漂移 5/,加速度计零偏(.一)。 h 50 3g e

GPS／INS组合导航系统松、紧耦合性能比较

维普资讯 http://www.77cn.com.cn

D cmb r 07V 18N (ei . 9 e e e 2 0 o. o4 sr l 1 ) 3 aNo 2

航空电子技术

A O C T C NO OG VI NI S E H L Y

表 3松、紧耦合两种模式北向位置最大误差变化幅度

( )由仿真结果及表 4可知，在陀螺仪和加 2

速度计精度同等条件变差时，不论哪种耦合结构， 陀螺仪变差比加速度计对 G S S组合导航定位 P/ N I精度影响更大。( )分别对比图 2图 7及表 3可以看出：松 3~

耦合结构下的 G SI组合导航系统的北向定位 P/ ' NS的位置误差范围更大；根据表 4:在当前仿真条件表 4松、紧耦合两种模式北向位置定位精度( O ) 1 -

下， I元器件的精度不同程度下降时， P/ 在 NS G SNS 1组合导航系统采取紧耦合模式能得到更好的定位精

度。

6结论 本文对 G SI S组合导航系统的基于松、紧 P/ N下面是我们对仿真所得到的各种图表结果研究与分析后作出的归纳。 ( )即使在 I 1 NS元器件性能下降的情况下，

两种不同耦合方式进行了分析仿真，验证了松耦合、紧耦合的算法以及用一个较差的惯导构成的紧耦合 G SI导航系统，实现了高性能惯导的导 P/ NS

不管哪一种耦合结构，G SI S组合导航系统也能 P/ N达到较好的定位精度，使滤波后的定位结果收敛， 但是对位置定位的精度有一定的影响。

航精度，同时分析了惯导元器件性能对组合导航系统系统的影响，为组合导航系统的设计提供了一定的参考价值。

参考文献

【】泰永元，洪钺 .尔曼滤波与组合导航原理【 .安：西北工业大学出版社， 9 . l张卡 M】西 1 8 9 [】王惠南 . P 2 G S导航原理与应用[ .京：科学出版社，03 M】北 2 0

[】杨静， 3张洪钺.基于伪距、伪距率的 G SSNS容错组合导航系统[ . P/I J航天控制，2 0,() 7 2 .] 0 3 3: - 5 1 【1 E as、, ig s .h eina d n l io t rtd aiao s ms s gra I n P a]] rce ig f 4 vn, D, g i, T e s n a s fne ae vgt ns t i lNSadG Sdt C . oedn s C R nR d g a ys i g n i ye u n e a P ot e I E 1 9 ACON. h EE 5NE 9

[收稿日期]2 0 .80 0 70.2[回日期]2 0.01修 071.6[作者简介]周星伶，女，北京航空航天大学电子信息工程学院在读硕士。主要研究方向为组合导航系统。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/348i.html