GPS/INS导航系统在滤波器选用方面,基本是采用卡尔曼滤波器法则,因为它简单可靠,已被普遍应用在GPS/INS导航系统中。
3INS/GPS基本原理
3.1惯性导航系统(INS基本原理
3.1.1INS 原理
INS 一般结构分为环架式及捷联式两种。在环架式系统中,加速度及陀螺仪均
置放于参考平台上,使传感器与载体之间转动能够独立,才能在稳定坐标系统中维持其测量及导航的运算。可能的导航坐标系统包含球心惯性系统(ECI-Earth Centered Inertial、球心固定坐标(ECEF、ED (North-East-Down 坐标系统及含Wander 角的坐标系统等。环架式系统比较精确,而且容易校正(不需执行坐标转换,利用地球重力场可自动对北校正,但是其结构比较大、重、成本高且可靠性差。
至于捷联式系统,传感器是固定在载机上,对运动物体的加速度及速率测量上采用坐标转换以便能在惯性系统中完成导航运算。此种方式可运用于高机动的情况
下,尤其是在新型的高品质陀螺仪与加速度计出现后,捷联式惯性系统将因成本及可靠性的改善,而变成主要的装置。有关捷联式结构定义如下:捷联式与传统环架式最大不同点,主要在于惯性导航设备如陀螺仪及加速度计等是直接安装于载体上, 而不是安装于参考平台上。更进一步来看,载机上导航计算机能在对陀螺仪的信号持续追踪相对于预定参考惯性轴的载机姿态。结果,由于计算机能提供必要的坐标
转换,使加速度计输出于计算机计算参考轴一致,换言之,转换在计算机内以分析性的方式完成,所以在传统系统中,惯性参考平台将可以以下列二种功能来取代,即:
1在陀螺仪输出基准上建立姿态惯性轴;
2把加速度计输出经坐标转换成惯性坐标变量。
3由于捷联式结构可以直接提供载机相关信号,所以在传统系统中常用的一些装置等均可省略。
在INS系统内,对于系统精确度及特性的评估,一般而言均存在有大量的误差源, 例如:陀螺仪及加速度计相关的误差,基本上包含静态g灵敏度偏差及漂移量,尺寸因素误差,错排误差机随机误差等。额外的误差则来自于导航解算的校正、起始及排列转换,不准度计算等。在没有补偿情况下,所有INS误差会随时间而改变,而一些误差(如位置等则会随时间增加而发散,其它则会受到限
制而产生震荡。因此INS的精确度与传感器品质、导航系统机构及载机动态等等有很大的关系。
INS基本上允许独立自主操作。在误差特性上,由于大多数需要高精确度,所以可以使用外加辅助装置来降低INS误差。一台具有辅助装置的INS会使用来自于一些辅助装置(如追踪雷达、GPS、TECOM等的数据,再配合导航卡尔曼滤波器, 以改进导航数据的精确度。
3.2全球卫星定位系统(GPS基本原理
卫星环绕地球运行,不管它是椭圆形轨道、圆形轨道或是同步轨道,它始终以一定周期,周而复始的飞驰。若没有干扰因素(例如:月亮与太阳引力、地球重力不均匀、空气分子阻力等,那么卫星的轨道固定不变,也就是它与地球维持一定的关系, 因此,我们可以很准确的计算出,在什么时候,它在何处,什么时段通过哪些区域。既然它的运行很精确,地球上的人们就可以拿它做导航依据,通过无线电,发射它相对于地球坐标的位置资料,飞行器接收机与地球、卫星构成三点关系,形成封闭三角形。其中,卫星与地心的距离为已知,如果我们能测量出飞行器与卫星的直线距离,则飞行器对地球的坐标关系,就可反推算出来,获得定位导航资料,此为’卫星导航”的基本概念,事实上,卫星导航”方法,源自于古老人们以观测天体星相决定位置,自然演变而来。
卫星导航系统结构:以GPS系统为例,整个系统结构分为三大部分。
1 太空部分(Space Segment