Kalman滤波惯性组合导航论文Word格式.docx

1、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3AbstractIn order to overcome shortcomings such as disconnection and invalidity of GPS when the signal of satellites is unusable and the accumulation of navigation locatio

2、n calculation errors with time passing, through analysing various schemes of vehicle navigation and location system, inertial integrated navigation system of INS/GPS based on embedded system is designed.The inertial navigation system（INS） can provide the information continuously, has superior precis

3、ion in short time, but position error accumulates with time. The GPS has long- term stability, but is disturbed easily and the data renewal frequency is low. As a result of MEMS component shortcoming, the inertial navigation system with MEMS component needs assistance from GPS. INS/GPS integrated na

4、vigation system involves a INS consisting of a multiple-axis gyroscope and an accelerometer integrated with GPS receiver. INS errors are estimated by an integrated INS/GPS Kalman filter （KF） which relies on a dynamic error modelof position, velocity and heading as well as stochastic models for gyros

5、cope and accelerometer errors. In case of a GPS outage, the designed KF module provides positioning information.This dissertation introduces basic principle and composition of GPS and INS, infers the system error equations, gets the error mode, studies application of kalman filtering in the INS/GPS

6、integrated navigation system mainly. Using MATLAB simulation language, the general filter, the federated filter are researched and simulated. The navigation system achieves high navigation accuracy, which were validated imposing numerous ssimulated GPS outages of varied lengths on road test trajecto

7、ry data of GPS receiver, car chip accelerometer and multiple-axis gyro, and is valuable in practical application.Key words:Integrated Navigation;GPS;Dead Reckoning（DR）; Inertial Navigation System（INS）; Kalman filter;Embedded System目 录第一章 绪论11.1 课题来源11.2 惯性导航系统的应用现状11.3 惯性组合导航系统的研究现状21.4 论文组织结构4第二章 惯

8、性组合导航定位研究52.1 全球定位系统52.1.1 GPS 定位系统组成52.1.2 GPS 卫星信号72.2 惯性导航系统92.2.1 惯性导航系统简介92.2.2 惯性导航原理102.2.3 陀螺仪和加速度计112.3 GPS/INS 组合导航系统13第三章 卡尔曼滤波理论153.1 常规卡尔曼滤波153.1.1 离散卡尔曼滤波基本方程153.1.2 滤波状态和量测初值的选取193.1.3 卡尔曼滤波的特点193.1.4 有色噪声的处理技术203.1.5 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224.1 Kalman 滤波器设计与实现224.1.1

9、 联邦卡尔曼滤波器结构224.1.2 联邦卡尔曼滤波算法描述244.1.3 联邦卡尔曼滤波器设计254.1.4 卡尔曼滤波器仿真结果274.2 嵌入式组合导航定位系统设计与实现304.2.1 组合导航系统总体设计304.2.2 硬件设计324.2.3 软件设计324.3 实验测试及结果分析334.3.1 系统定位置信度测试数据与结果分析354.3.2 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

10、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 402 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（Intelligent Transportation System，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

11、和核心的部分。车辆 定位导航是指在应用地理信息系统 GIS（GeograDhie InformationSystem）技术构建数字化路网地图的基础上，运用航位推算（Dead Reckoning，DR）、全球定位系统（GPS）、地图匹配（Map Matching，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

12、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一44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

13、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 Kal

14、man 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：