基于C++ 实现GPS和INS组合导航系统【100010363】

> # ♻️ 资源 > **大小：** 6.25MB > **文档链接：**[**https://www.yuque.com/sxbn/ks/100010363**](https://www.yuque.com/sxbn/ks/100010363) > **➡️ 资源下载：**[**https://download.csdn.net/download/s1t16/87368169**](https://download.csdn.net/download/s1t16/87368169) > **注：更多内容可关注微信公众号【神仙别闹】，如当前文章或代码侵犯了您的权益，请私信作者删除！** >  # GPS/INS组合导航系统设计 # 一、摘要 单独的GPS或者INS导航系统，都存在自己的固有缺陷。GPS/INS组合导航系统以GPS导航系统为主，INS导航系统为辅，将两者组合起来，改善了总体性能。GPS/INS组合导航系统无论在军事还是民用上都具有很大的价值和更加广泛的应用前景。本文针对GPS/INS组合导航技术、GPS/INS组合导航系统软硬件设计等为题展开较为深入的研究，所做的主要工作可以归纳为以下几方面：一、分析了GPS导航系统和INS导航系统的工作原理和通常的应用场景。研究GPS导航系统和INS导航系统的优点、缺陷及缺陷产生的原因。二、结合GPS和INS导航技术的特点，提出GPS/INS组合导航系统的概念。分析GPS/INS组合导航系统的关键技术与工作原理为软硬件设计提供初步理论依据。三、提出GPS/INS组合导航系统的软硬件设计方案。详细介绍了数据采集模块和数据处理模块的软硬件设计。四、探讨了Kalman滤波器原理以及联邦式卡尔曼滤波器在GPS/INS组合导航系统中的应用。 **关键词**：　GPS，INS，组合导航系统，数据处理，Kalman # 二、绪论 ## 2.1 课题背景 全球卫星定位系统(Global Positioning System)，简称GPS，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上一个主控站，3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS，Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS，Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入误差 (即SA政策，Selective Availablity)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在左右；军规的精度在以下。 GPS系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖(高达98%)；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其应用效能。但是由于GPS的致命弱点:动态性能较差、信号丢失会引起失锁以及定位精度亟待提高等。因此，如何进一步提高GPS导航定位的精度和动态性能，成为目前研究的一个重点。 GPS导航系统能为全球任何地点和近空间用户提供连续的导航能力，能提供高精度的三维速度、三维位置和时间信息，误差不随时间积累。惯性导航系统是一种高度自主的导航系统，有很强的抗干扰能力，实时导航数据快，并能给出全部的导航数据( 位置、 速度和姿态) ，因此在军事上得到了广泛的应用[1]。GPS 导航系统价格低廉，但其动态特性差，实时导航数据更新慢，不能输出姿态角。 组合导航系统将具有不同特性的单一导航系统或设备借助计算机组合起来，并对各个导航设备的输出信息进行综合处理，以提高整个系统的导航性能。信息处理的方法也由围绕着单个特定传感器所获得的数据集进行单一信息处理， 向着多传感器多数据集的信息融合方向发展。惯性导航系统分为INS (平台式)和SIS (捷联式) ，随着计算机的发展，INS目前己经逐渐被SINS (捷联式) 所替代，但两者的主要构成部件仍然是一样的，他们的缺点都是制导误差随时间累计，价格昂贵。 ## 2.2 组合导航系统现状 随着现代控制理论、现代数学和计算机技术的不断进步，20 世纪 80 年代，组合导航技术也得到了迅速发展，取得了令人瞩目的成就。相对于单一导航系统，组合导航系统具备更强的协和超越能力、冗余互补能力和更宽的应用范围和可靠性。严格的组合导航系统研究产生于上世纪 60 年代。微型计算机的发展与广泛应用，为组合导航奠定了物质基础，而最优估计理论和信息融合理论的发展，则提供了有力的处理工具。组合导航系统已迅速发展成为一种多系统、多功能、高性能、高可靠性的导航系统，成为当前军用和民用导航领域技术发展的主流。 传统的惯性导航技术、卫星导航技术、光学标校技术、星光导航技术以及新型的重力匹配、海底地形、地磁匹配技术等对组合导航系统的研究具有重要的影响。随之产生不同类型的组合导航系统，大型的组合系统主要用于航空母舰、预警飞机与大型舰船等，INS/GPS、GPS/TRN(地形辅助导航) 、 GPS/Loran－C、GPS/奥米加、INS/TRN 等组合应用较多。例如 INS/TRN，既不依赖路基、也不依赖星基，隐蔽性好，定位精度可达 10-15 米(2drms)。20 世纪80年代以来，美、英、 法等国都十分积极地开展这方面的研制工作， 并已开始装备空军， 如“旋风”、“海鹞”、 AV-8B等机种， 有的曾在海湾战争中投入应用， 效果良好。 又如 INS/GPS组合，一开始就得到人们的欢迎和重视，成为主流的组合方式之一。随着目前高精度姿态测量产品的日渐成熟，使得 GPS 系统从传统单纯的定位测速提升到可以实时向用户提供精确连续的三维位置、速度、姿态和时间，系统不仅具有较高的精度，同时还克服了INS固有的积累误差。基于新型GPS测姿系统和 INS的组合导航系统成为目前研究的新领域。 组合导航理论与组合导航技术始终同步发展，其中最常用的组合导航算法即以最优估计 Kalman 滤波理论为基础。该理论从 1960 年提出起，便率先应用于导航领域，成为现代控制理论确定的标志。多种资料表明，Kalman 滤波方法仍然是国内外本领域信息融合技术研究的重点[2]。在Kalman滤波理论的发展过程中，线性 Kalman 滤波器(LKF)被最早提出，多应用于间接法组合导航系统，由于计算量少，便于转换等优点，被组合导航算法研究广泛采用。随后出现了诸如扩展Kalman滤波(EKF)、分散Kalman滤波(DKF)、联邦Kalman滤波(FKF) 、自适应 Kalman滤波(AKF)、U-Kalman滤波(UKF)等多种方法，应用在不同的组合导航类型和方式中。 ## 2.3 课题意义 要提高导航系统性能，仅靠提高单一导航系统的精度，不仅在技术上难度很大，而且无法满足精度、低成本、体积小等多方面的要求。INS与GPS构成的组合导航系统可以克服两者单独工作的缺�