基于扩展卡尔曼滤波器的超紧耦合gps／ins组合导航系统设计

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1、基于扩展卡尔曼滤波器的超紧耦合GPS/INS组合导航系统设计25卷第6期2008年6月微电子学与计算机MICRoELErfNICS&00M口[)UTERVO1.25No,6June2008基于扩展卡尔曼滤波器的超紧耦合GPS/INS组合导航系统设计孙熙，祖峰2,李夏苗(1中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075;293320部队通信营,161000)摘要:提出了一种组合导航设计方案，通过将滤波器得到的多普勒频移信号反馈给GPS接收机跟踪环，实现了超紧耦合，提高了组合导航系统在高动态和干扰条件下的性能•采用了非线性动态模型并对其进行了

2、线性化，提高了导航精度并减小系统计算量;应用用一阶高斯马尔可夫模型描述不同的惯性传感器误差，最后给出了扩展卡尔曼滤波器的具体算法.关键词:组合导航;扩展卡尔曼滤波;全球定位系统;惯性导航系统屮图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1000—7180(2008)06—0022—04SystemDesignofExtendedKalmanFilter-?BasedUltra-TightlyCoupledGPS/INSIntegration'SUNXi,ZUFeng2,LIXia・miao(1CollegeofTrafficandTransport

3、Engineering,CentralSouthUniversity,Changsha410073,China;2TheCommunicationBattalionof93320UnitofthePLA,l61000,(〜ina)Abstract:Integrationnavigationispresented.TheperformanceofintegratednavigationsystemintermsofhjghdynamicsandinterferenceisimprovedbecauseDopplershiftfrequencywhi

4、chistheoutputofKalmanfiIterissenttoGPStrackingloop.ThenonlinearmodelwhichissimplifiedtolinermodelisusedtOimprovethesystemaccuracyandreducethecom—putingload^ThefirstGauss一M&rkovprocessisusedtodescribedifferentinertialsensorerrors.Finally4heequationsforEKF&regiven.Keywo

5、rds:integratednavigation;extendedKalmanfilter;GPS;INS1引言惯性导航系统(INS)具有能够不依赖外界信息,完全独立自主地提供较高精度的导航参数(位置，速度，姿态等)的优点，然而，它的精度主要取决于惯性测量器件,导航参数随时问的积累而积累_lj・全球卫星定位系统(GPS)E］的明显优点是能够进行全球,全天候和实时的导航，其定位误差与时间无关，且有较高的测速和定位精度.但是GPS载体在作高动态运动或信号被遮挡时，常使GPS接收收稿口期:2007—09—04基金项目:国家自然科学基金项0(503780

6、91)机不易捕获和跟踪卫星载波信号•可见GPS和INS具有优势互补的特点，以适当的方法将两者组合起来是很有必要的_3_3.实现GPS/INS组合的方案很多,而不同的方案对导航系统的精度和适应恶劣环境(强干扰,接收不到卫星信号等)的能力影响很大•文中介绍一种GPS/INS组合导航系统的设计方案,即基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的超紧耦合GPS/INS组合导航系统，该方案可以提高导航系统在高机动状态，信号受到干扰以及接收不到信号时的导航性能.第6期孙熙，等:基于扩展卡尔曼滤波器的超紧耦合GPS/INS组合导航系统设计232基于卡尔曼滤波器的超紧耦合结

7、构传统的GPS/INS组合系统采用”紧耦合”结构［.这种结构是用GPS接收机中独立的跟踪环跟踪GPS卫星的广播信号,跟踪环使毎个信道的GPSPRN码延时课差和多普勒频移谋差最小，并反馈给数控振荡器(NCO),保持在每个跟踪信道上复制的PRN码与接收码一致,振荡频率与接收频率一致.测量的PR和DR提供给导航处理器，使INS精确的输出物体的位置和速度参量.其结构特点是跟踪环与导航处理器没有耦合，完全不需要导航处理器的信号，自主地给跟踪并反馈给NCO,去耦合的结果是跟踪环的跟踪能力对噪声和物体机动非常敏感•而在超紧耦合结构中,GPS接收机的I—Q信号经

8、滤波器处理后，获得多普勒频移，然后将其反馈给接收机跟踪环.多普勒频移反映了GPS接收机与卫星的相对运动，使得GPS接收机跟踪环能在高动态