Kalman滤波惯性组合导航论文.docx
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摘 要
为了克服卫星信号盲区GPS定位间断或失效以及航位推算（DR）定位误差随时间积累等缺陷，通过分析各种车辆组合导航定位系统方案，设计了一种基于Kalman滤波的惯性组合导航系统。
惯性导航系统（INS）可连续提供信息，短时间精度高，但是定位误差随时间积累。
GPS系统长期稳定性好，但易受到干扰，数据更新频率低。
由于MEMS器件本身的缺点，应用其作为惯性测量器件的惯导系统需有GPS辅助。
INS和GPS构成的组合导航系统，它包括一个由多轴陀螺仪和一个加速度计组成的惯性导航系统（INS）并集成了GPS接收机。
惯性导航系统的误差是通过一个组合INS/GPS卡尔曼滤波器（KF）来估计，该滤波器是基于位置、速度、航向的动态误差模型以及陀螺仪和加速度计的随机误差模型。
卡尔曼滤波器（KF）模块可单独提供定位信息以防GPS失效。
本文介绍了GPS和INS的基本原理和组成，建立了组合导航系统误差模型，推导了惯性导航系统误差方程，主要研究了INS/GPS组合导航中卡尔曼滤波技术的应用问题。
以MATLAB语言为仿真语言环境对常规卡尔曼滤波、联邦滤波进行了研究和仿真分析。
通过各种不同时间长度下由GPS接收机、车辆加速度计芯片、多轴陀螺仪采集到道路的测试数据来进行的大量GPS失效仿真实验验证了该系统拥有较高的导航精度，具有一定的应用价值。
关键词：
组合导航；GPS；航位推算（DR）；惯性导航系统（INS）；卡尔曼滤波；嵌入
式系统
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Abstract
InordertoovercomeshortcomingssuchasdisconnectionandinvalidityofGPSwhenthesignalofsatellitesisunusableandtheaccumulationofnavigationlocationcalculationerrorswithtimepassing,throughanalysingvariousschemesofvehiclenavigationandlocationsystem,inertialintegratednavigationsystemofINS/GPSbasedonembeddedsystemisdesigned.
Theinertialnavigationsystem（INS）canprovidetheinformationcontinuously,hassuperiorprecisioninshorttime,butpositionerroraccumulateswithtime.TheGPShaslong-termstability,butisdisturbedeasilyandthedatarenewalfrequencyislow.AsaresultofMEMScomponentshortcoming,theinertialnavigationsystemwithMEMScomponentneedsassistancefromGPS.INS/GPSintegratednavigationsysteminvolvesaINSconsistingofamultiple-axisgyroscopeandanaccelerometerintegratedwithGPSreceiver.INSerrorsareestimatedbyanintegratedINS/GPSKalmanfilter（KF）whichreliesonadynamicerrormodelofposition,velocityandheadingaswellasstochasticmodelsforgyroscopeandaccelerometererrors.IncaseofaGPSoutage,thedesignedKFmoduleprovidespositioninginformation.
ThisdissertationintroducesbasicprincipleandcompositionofGPSandINS,infersthesystemerrorequations,getstheerrormode,studiesapplicationofkalmanfilteringintheINS/GPSintegratednavigationsystemmainly.UsingMATLABsimulationlanguage,thegeneralfilter,thefederatedfilterareresearchedandsimulated.Thenavigationsystemachieveshighnavigationaccuracy,whichwerevalidatedimposingnumerousssimulatedGPSoutagesofvariedlengthsonroadtesttrajectorydataofGPSreceiver,carchipaccelerometerandmultiple-axisgyro,andisvaluableinpracticalapplication.
Keywords:
IntegratedNavigation;GPS;DeadReckoning（DR）;InertialNavigationSystem（INS）;Kalmanfilter;EmbeddedSystem
目录
第一章绪论 1
1.1课题来源 1
1.2惯性导航系统的应用现状 1
1.3惯性组合导航系统的研究现状 2
1.4论文组织结构 4
第二章惯性组合导航定位研究 5
2.1全球定位系统 5
2.1.1GPS定位系统组成 5
2.1.2GPS卫星信号 7
2.2惯性导航系统 9
2.2.1惯性导航系统简介 9
2.2.2惯性导航原理 10
2.2.3陀螺仪和加速度计 11
2.3GPS/INS组合导航系统 13
第三章卡尔曼滤波理论 15
3.1常规卡尔曼滤波 15
3.1.1离散卡尔曼滤波基本方程 15
3.1.2滤波状态和量测初值的选取 19
3.1.3卡尔曼滤波的特点 19
3.1.4有色噪声的处理技术 20
3.1.5卡尔曼滤波的发散抑制 20
第四章基于Kalman滤波的组合导航系统设计实现 22
4.1Kalman滤波器设计与实现 22
4.1.1联邦卡尔曼滤波器结构 22
4.1.2联邦卡尔曼滤波算法描述 24
4.1.3联邦卡尔曼滤波器设计 25
4.1.4卡尔曼滤波器仿真结果 27
4.2嵌入式组合导航定位系统设计与实现 30
4.2.1组合导航系统总体设计 30
4.2.2硬件设计 32
4.2.3软件设计 32
4.3实验测试及结果分析 33
4.3.1系统定位置信度测试数据与结果分析 35
4.3.2系统定位精确度测试数据与结果分析 36
结束语 38
致谢 39
参考文献 40
附录 41
第一章绪论
1.1课题来源
随着国民经济的高速发展和城市化进程的加快，我国机动车拥有量及道路交通量急剧增加，尤其是大中城市，交通拥挤阻塞以及由此导致的交通事故的增加是我国城市面临的极其严重的“城市病”之一[1]。
以湖北省十堰市为例，全市2010年年末机动车拥有辆40．2万辆；而在2000年年末，该市城区机动车总量还不足4万辆。
加之山区城市道路拓宽空间受限，疏通城区道路显得更加艰难。
机动车快速增长与相对滞后的道路规划建设之间的矛盾日益突显。
智能交通系统（IntelligentTransportationSystem，ITS）是新型汽车信息电子产品的典型代表[2]，它是将导航定位技术、信息技术、数据通信技术等先进技术有效地综合运用于城市交通，从而建立一种全方位的，实时、准确、高效的运输综合管理系统[3]。
在智能交通系统中，车辆的可靠、准确定位导航是一个基础和核心的部分。
车辆定位导航是指在应用地理信息系统GIS（GeograDhieInformationSystem）技术构建数字化路网地图的基础上，运用航位推算（DeadReckoning，DR）、全球定位系统（GPS）、地图匹配（MapMatching，MM）等定位技术进行车辆定位，为用户提供静态或实时的最优行车路线信息，并在行使过程中对用户实时发出或响应用户的操控指令。
车辆定位导航系统可以使出行者在一个陌生之地随时熟悉周围的状况，而且有了适时的路径引导，用户可以将精力集中在驾车上，提高了交通运输安全水平，从而可以减少交通事故。
在交通运输管理中，车辆的定位导航结合无线传输网络技术可以使管理中心实时知道车辆的位置，对于车辆监控、管理、物流、安全、调度等有重要意义。
1.2惯性导航系统的应用现状
车辆定位导航系统是随着汽车在人们日常生活中的地位不断提高而发展起来的一
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项新兴技术。
车辆惯性导航利用航空导航的一般原理，通过使用一些相对简单的设备，如陀螺、里程仪、罗盘等，完成对汽车的速度、方向和位移等车辆状态信息的测量。
结合GPS定位信息，通过一定的融合算法，求解出载体当前位置并显示在地图上。
与航空导航定位技术相比，它要求系统的结构简单、成本较低、易于实现并且要有较高的定位精度，这些要求使得车辆定位导航系统的研究具有了一定的难度。
目前，美国在车辆惯性导航系统已具有很高的水平，应用也相当广泛。
例如，
Etak.INC公司研制的汽车导航系统，不仅可以为用户提供精确的定位信息，而且可以为用户提供多条可选的路线以及最佳路线，实现实时、准确、可靠导航。
日本也于
1971年开始智能交通系统的CACS计划。
目前欧洲各国正在进行Telematics的全面应用开发工作，计划在全欧范围内建立专门的交通无线数据通信网。
智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕Telematics和全欧无线数据通信网来展开。
相比较而言，我国汽车惯性导航系统的研究只是刚刚起步。
我国车辆导航应用系统主要以GPS的指挥监控、调度报警系统为主，但结合GPS信息并基于Kalman滤波等多传感器信息融合算法的惯性导航系统却一直没有发展强大起来。
1.3惯性组合导航系统的研究现状
目前，用于车辆定位导航系统中的定位技术大致有：
全球定位导航系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、航位推算（DR）、地图匹配（MM）等[4]。
INS系统的特点是自主性强，它主要由惯性测量装置（陀螺和加速度计）、计算机和稳定平台组成，输出方向变化率；但惯性器件误差会使得系统误差随时间不断积累，且成本昂贵。
GPS具有全球、全天候、高精度、实时三维的测定位置和速度的能力，因而有很大的优势：
但它同时有其致命的弱点，它必须收到空中未被遮挡的卫星信号才能提供准确、连续的位置信息。
当GPS信号被树木、城市高层建筑和桥梁等遮挡或GPS接收不到四颗及以上的卫星信号耐，GPS接收机将无法输出有效信息。
通过比较得到，INS与GPS之间有很强的互补性，具体体现在：
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