双天线GPS/SINS组合导航系统研究与设计

摘要

SINS/GPS组合导航系统结合了SINS和GPS各自的优点，具有成本低、精度高、实时性高等优点，因此目前这种导航系统被广泛的应用在各种车辆、舰船、飞行器上。SINS/GPS系统的姿态精度与载体动态相关，静态情况下偏航角会逐渐发散，这种现象在低成本应用中特别明显。因此一般需要增加磁力计作为姿态量测，但是磁力计经常需要校准，且容易受到干扰而导致导航结果出错。基于以上考虑，本文采用双天线GPS测量载体姿态，设计并实现了双天线GPS/SINS组合导航系统。
　　双天线GPS姿态测量技术基于载波相位相对定位原理，通过对两个天线测得的载波相位进行双差处理，建立双差观测方程，这种方法能够消除大部分的误差。通过求解双差观测方程，可以得到高精度的基线向量坐标，进而求得载体姿态。整周模糊度是GPS定向测姿的关键技术。针对本文定长度基线以及需要快速解算整周模糊度的情况，提出了基于QR分解的整周模糊度解算算法，这种方法适用于基线较短的情况，能够大大降低整周模糊度的搜索空间。
　　针对低成本和多传感器的应用场合，结合集中式滤波与联邦滤波的优点，本文提出了一种基于直接法的组合导航算法。直接将导航参数作为卡尔曼滤波的状态量，通过对姿态、速度及位置的更新方程进行线性化得到状态方程，避免了对惯性导航系统误差的建模与计算;为了充分利用更新频率不同的量测数据，将卡尔曼滤波的时间更新与量测更新过程分离，状态量的一步预测及一步预测的协方差的更新频率以IMU采样频率为基准;而当量测数据更新时，执行对应的量测更新过程，计算状态的最优估计及其协方差。这种方法也有利于扩展观测数据，采用序贯融合技术进一步简化了计算过程。
　　本文完成了系统整体设计，并设计实验验证了双天线GPS测姿模块的静态和动态性能以及组合导航系统的性能，证明了所提出算法的正确性和有效性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与选题意义

1．2 GPS姿态测量技术研究概况

1．3 组合导航系统发展概况

1．4 本文研究内容及章节安排

第2章 双天线GPS姿态测量算法研究

2．1 GPS定位基本原理

2．1．1 伪距法定位

2．1．2 载波相位定位

2．2 基于GPS的姿态测量原理

2．2．1 载波相位相对定位原理

2．2．2 坐标系变换与姿态解算

2．3 整周模糊度解算

2．3．1 整周模糊度求解常用方法

2．3．2 基于QR分解的整周模糊度解算算法

2．3．3 整周模糊度的检验

2．4 周跳的检测

2．5 本章小结

第3章 双天线GPS／SINS组合导航算法研究

3．1 组合导航系统的设计模式

3．2 非线性扩展卡尔曼滤波(EKF)

3．3 多传感器的信息融合

3．3．1 集中式卡尔曼滤波

3．3．2 分散式卡尔曼滤波

3．3．3 改进的集中式卡尔曼滤波

3．4 基于直接法的组合导航滤波器设计

3．4．1 捷联惯性导航模型

3．4．2 卡尔曼滤波状态方程建立

3．4．3 速度位置量测模型

3．4．4 GPS姿态量测模型

3．4．5 序贯融合技术

3．5 本章小结

第4章 组合导航系统的设计与实现

4．1 系统硬件框架

4．1．1 GPS接收机

4．1．2 天线单元选型

4．1．3 处理器单元

4．1．4 惯性测量单元

4．2 GPS接收机数据处理

4．2．1 GPS接收机数据格式

4．2．2 GPS接收机配置

4．2．3 GDOP值的计算

4．3 算法流程与程序设计

4．3．1 双天线GPS姿态测量设计

4．3．2 组合导航系统设计

4．4 本章小结

第5章 实验结果与分析

5．1 双天线GPS姿态测量实验结果

5．1．1 静态试验

5．1．2 动态实验

5．2 组合导航系统实验结果

5．3 实验结论

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果