專利名稱：Gps/sins組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真方法及裝置， 對實際的組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計、方案論證有著重要的意義。
背景技術(shù)：
為了獲得移動載體的實時位置、速度和姿態(tài)信息，多種導(dǎo)航方式已經(jīng)被提出和采用。其中，以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GlcAal Positioning System, GPS)的應(yīng)用最為廣泛。SINS不僅能夠提供載體位置、速度參數(shù)，還能提供載體的三維姿態(tài)參數(shù)，是完全自主的導(dǎo)航方式，在航空、航天、航海和陸地等幾乎所有領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。但是，SINS 難以克服的缺點是其導(dǎo)航定位誤差隨時間累加，難以長時間獨立工作。20世紀(jì)末發(fā)展起來的GPS具有定位和測速精度高的優(yōu)勢，且基本上不受時間、地區(qū)的限制，已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在衛(wèi)星信號受到屏蔽或遮擋時，接收機就無法定位。 因而，對導(dǎo)航定位可靠性要求較高的情況下GPS很難單獨應(yīng)用。可以看出，GPS和SINS都存在著自身難以克服的缺點。但是，GPS和SINS又具有很強的互補性，兩者的組合不僅可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，而且隨著組合程度的加深GPS/ SINS組合系統(tǒng)的總體性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于各獨立系統(tǒng)。組合系統(tǒng)利用高精度的GPS信息作為外部量測輸入，在運動過程中修正SINS，以控制其誤差隨時間的累積；而短時間內(nèi)高精度的 SINS定位結(jié)果，又可以解決GPS動態(tài)環(huán)境中的信號失鎖和周跳問題。SINS還可以輔助GPS 接收機增強其抗干擾能力，提高捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號的能力。因此，GPS/SINS組合系統(tǒng)被認(rèn)為是目前導(dǎo)航領(lǐng)域最理想的組合方式。高精度的器件也帶來了高價格的問題。根據(jù)市場調(diào)研，國內(nèi)目前高精度的慣性測量單元價格在幾十萬左右，能夠提供偽距、偽距率信息而且定位精度到達(dá)厘米級別的GPS 的價格也在10萬元以上。這在一定程度上，特別是在民用領(lǐng)域，限制了 GPS/SINS組合系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，低成本的GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為國內(nèi)外的研究熱點之一。對于低成本的GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其核心問題是如何通過改善軟件算法來提高導(dǎo)航精度。在軟件方面，捷聯(lián)矩陣的更新、誤差建模、卡爾曼濾波等關(guān)鍵技術(shù)都會影響最終導(dǎo)航的精度。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本、高精度導(dǎo)航裝置及方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真裝置，由軌跡發(fā)生器模塊、IMU仿真器、GPS 仿真器、SINS解算模塊以及卡爾曼濾波器模塊構(gòu)成；軌跡發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生飛行軌跡數(shù)據(jù)；IMU仿真器用于模擬陀螺儀和加速度計的實際情況，輸出載體的三維角速度信息和三維加速度信息；GPS仿真器模擬GPS接收機，輸出載體的偽距、偽距率、位置和速度信息； SINS解算模塊將IMU仿真器的輸出進(jìn)行解算獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息；卡爾曼濾波器模塊將GPS和SINS可以按照松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式，采用Kalman 濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。所述軌跡發(fā)生器模塊采用數(shù)學(xué)方法模擬包括爬升、平飛、下降在內(nèi)的各種各樣的飛行軌跡，提供組合導(dǎo)航仿真系統(tǒng)需要的姿態(tài)角、姿態(tài)角速率、位置、速度、加速度五組共十五個飛行軌跡數(shù)據(jù)；IMU仿真器將軌跡發(fā)生器模塊提供的姿態(tài)角速率和加速度信息作為輸入，依據(jù)陀螺儀和加速度計的誤差模型，加入誤差，模擬陀螺儀和加速度計的真實輸出，最后將結(jié)果輸出給SINS解算模塊；GPS仿真器利用軟件編程實現(xiàn)GPS的功能，將軌跡發(fā)生器提供的位置、速度信息， 以及參考衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)作為輸入，輸出偽距、偽距率、位置和速度信息給卡爾曼濾波器模塊；SINS解算模塊利用IMU仿真器輸出的帶有誤差的姿態(tài)角速度和加速度信息，默認(rèn)采用四元素法進(jìn)行解算，得到載體的位置、速度和姿態(tài)信息。一種GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真方法，使用MATLAB作為工具，通過編寫m文件和搭建Simulink模塊交互的形式實現(xiàn)仿真；具體為通過使用MATLAB軟件編寫m文件實現(xiàn)軌跡發(fā)生器模塊，用于產(chǎn)生載體的理想軌跡；通過使用MATLAB軟件編寫m文件實現(xiàn)IMU 仿真器，用于模擬慣性測量單元IMU的實際情況，輸出載體的三維角速度信息和三維加速度信息；通過使用MATLAB軟件編寫m文件實現(xiàn)GPS仿真器，模擬GPS接收機，輸出載體的偽距、偽距率、位置和速度信息；通過搭建Simulink模塊實現(xiàn)SINS解算模塊，用于將IMU仿真器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解算獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息；通過搭建Simulink模塊實現(xiàn)卡爾曼濾波器模塊，用于將GPS和SINS分別按照松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式， 采用Kalman濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。所述IMU仿真器是模擬陀螺儀和加速度計的實際輸出，將陀螺儀和加速度計的誤差均視為由一階馬爾可夫過程隨機誤差和白噪聲誤差組成，而且假定陀螺儀和加速度計三個軸向的誤差模型都相同陀螺儀的理想輸出為
權(quán)利要求
1.一種GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真裝置，其特征是，由軌跡發(fā)生器模塊、IMU仿真器、GPS仿真器、SINS解算模塊以及卡爾曼濾波器模塊構(gòu)成；軌跡發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生飛行軌跡數(shù)據(jù)；IMU仿真器用于模擬陀螺儀和加速度計的實際情況，輸出載體的三維角速度信息和三維加速度信息；GPS仿真器模擬GPS接收機，輸出載體的偽距、偽距率、位置和速度信息；SINS解算模塊將IMU仿真器的輸出進(jìn)行解算獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息；卡爾曼濾波器模塊將GPS和SINS可以按照松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式，采用Kalman 濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征是，所述軌跡發(fā)生器模塊采用數(shù)學(xué)方法模擬包括爬升、平飛、下降在內(nèi)的各種各樣的飛行軌跡，提供組合導(dǎo)航仿真系統(tǒng)需要的姿態(tài)角、姿態(tài)角速率、位置、速度、加速度五組共十五個飛行軌跡數(shù)據(jù)；IMU仿真器將軌跡發(fā)生器模塊提供的姿態(tài)角速率和加速度信息作為輸入，依據(jù)陀螺儀和加速度計的誤差模型，加入誤差，模擬陀螺儀和加速度計的真實輸出，最后將結(jié)果輸出給 SINS解算模塊；GPS仿真器利用軟件編程實現(xiàn)GPS的功能，將軌跡發(fā)生器提供的位置、速度信息，以及參考衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)作為輸入，輸出偽距、偽距率、位置和速度信息給卡爾曼濾波器模塊；SINS解算模塊利用IMU仿真器輸出的帶有誤差的姿態(tài)角速度和加速度信息，默認(rèn)采用四元素法進(jìn)行解算，得到載體的位置、速度和姿態(tài)信息。
3.—種GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真方法，其特征是，使用MATLAB作為工具，通過編寫m文件和搭建Simulink模塊交互的形式實現(xiàn)仿真；具體為通過使用MATLAB軟件編寫m 文件實現(xiàn)軌跡發(fā)生器模塊，用于產(chǎn)生載體的理想軌跡；通過使用MATLAB軟件編寫m文件實現(xiàn)IMU仿真器，用于模擬慣性測量單元IMU的實際情況，輸出載體的三維角速度信息和三維加速度信息；通過使用MATLAB軟件編寫m文件實現(xiàn)GPS仿真器，模擬GPS接收機，輸出載體的偽距、偽距率、位置和速度信息；通過搭建Simulink模塊實現(xiàn)SINS解算模塊，用于將IMU 仿真器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行解算獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息；通過搭建Simulink模塊實現(xiàn)卡爾曼濾波器模塊，用于將GPS和SINS分別按照松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式，采用Kalman濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其特征是，所述IMU仿真器是模擬陀螺儀和加速度計的實際輸出，將陀螺儀和加速度計的誤差均視為由一階馬爾可夫過程隨機誤差和白噪聲誤差組成，而且假定陀螺儀和加速度計三個軸向的誤差模型都相同陀螺儀的理想輸出為
5.如權(quán)利要求3所述方法，其特征是，SINS解算的算法流程如下首先對IMU仿真器輸出的角速度和加速度數(shù)據(jù)《進(jìn)行誤差補償，得到誤差補償后的角速度趟和加速度ft ；利用角速度趟，默認(rèn)采用四元素法解算姿態(tài)矩陣G，由于求解四元素要使用 \，利用上一時刻的C=進(jìn)行迭代，進(jìn)而求出當(dāng)前時刻的C=；利用上述求得姿態(tài)矩陣C=后，根據(jù)矩陣元素與姿態(tài)角的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行姿態(tài)解算求出姿態(tài)信息；利用C=把加速度計的輸出#從載體坐標(biāo)系變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系Λ"，扣除有害加速度，結(jié)合給定的初始位置和速度，通過一次和兩次積分就可以分別求得當(dāng)前速度和位置，完成導(dǎo)航解算。
6.如權(quán)利要求3所述方法，其特征是，卡爾曼濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的流程如下首先選擇SINS和GPS數(shù)據(jù)的組合方式，松散組合或者緊密組合，依據(jù)選擇的組合方式建立卡爾曼濾波誤差模型，然后選擇常規(guī)卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波EKF、無軌跡卡爾曼濾波UKF中的一種濾波方法進(jìn)行融合濾波，最后利用濾波估計出載體的位置、速度和姿態(tài)誤差并反饋校正SINS，并最終輸出導(dǎo)航信息。
全文摘要
本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航領(lǐng)域。為提供一種低成本、高精度導(dǎo)航裝置及方法，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，GPS/SINS組合導(dǎo)航全數(shù)字仿真裝置，由軌跡發(fā)生器模塊、IMU仿真器、GPS仿真器、SINS解算模塊以及卡爾曼濾波器模塊構(gòu)成；軌跡發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生飛行軌跡數(shù)據(jù)；IMU仿真器用于模擬陀螺儀和加速度計的實際情況；GPS仿真器模擬GPS接收機，輸出載體的偽距、偽距率、位置和速度信息；SINS解算模塊將IMU仿真器的輸出進(jìn)行解算獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息；卡爾曼濾波器模塊將GPS和SINS可以按照松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式，采用Kalman濾波方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。本發(fā)明主要應(yīng)用于導(dǎo)航。
文檔編號G06F17/50GK102508954SQ201110322390
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者侯志寧, 吳宏碩, 宗群, 廖海林, 田栢苓 申請人:天津大學(xué)