《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合技術(shù)研究
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第2期
吳鳳柱， 何 矞， 焦 旭， 李南海
南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院， 江西 南昌330063
摘要： 為了提高復(fù)雜環(huán)境條件下導(dǎo)彈的導(dǎo)航精度，以GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先研究了GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；然后對(duì)擴(kuò)展卡爾曼濾波和無(wú)跡卡爾曼濾波的算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析；最后將這兩種濾波算法應(yīng)用到GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,UKF在位置、速度的估計(jì)精度上均優(yōu)于EKF，并且UKF具有更好的穩(wěn)定性和收斂性。
關(guān)鍵詞： GPSGPRS GPS SINS 緊組合導(dǎo)航 EKF
中圖分類(lèi)號(hào): TN967.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)02-0067-03
Research on information fusion technique of GPS/SINS tightly-coupled navigation system
Wu Fengzhu, He Yu, Jiao Xu, Li Nanhai
Institute of Information Engineering,Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China
Abstract： In order to improve the navigation precision of missile under the complex environment .With GPS/SINS Tightly-coupled integrated navigation system as the object of the research,first of all, the mathematical model of GPS/SINS Tightly-coupled integrated navigation system is derived;and then the algorithm of the EKF and UKF are analysed amply.Finally,EKF and UKF are replied to GPS/SINS tightly-coupled integrated navigation system，and the simulation result indicates UKF takes precedence of EKF in the estimation of position and velocity.Moreover,UKF has the better stability and stypticity.
Key words : GPS; SINS; tightly integrated navigation; Kalman filtering

    慣性導(dǎo)航是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好、抗干擾、不受氣象條件限制的優(yōu)點(diǎn)。但其缺點(diǎn)是其定位誤差隨時(shí)間積累。全球定位系統(tǒng)具有全天候、高精度、定位誤差不隨時(shí)間發(fā)散等顯著特點(diǎn)，但衛(wèi)星信號(hào)可能被人為地添加干擾，而且受環(huán)境的限制，故可靠性較差。而GPS" title="GPS" target="_blank">GPS和SINS組合系統(tǒng)則取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。基于偽距、偽距率組合的GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)和基于速度、位置組合的松組合系統(tǒng)具有精度更高、可靠性和抗干擾能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。

1 緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的模型
    基于偽距、偽距率的GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)是一種高水平的組合方式,其主要特點(diǎn)是GPS接收機(jī)和SINS相互輔助。它利用GPS的星歷數(shù)據(jù)與SINS給出的位置和速度信息計(jì)算出相應(yīng)的偽距和偽距率,然后與GPS接收的偽距和偽距率相比較得出的誤差作為量測(cè)值,通過(guò)卡爾曼濾波器估計(jì)GPS和SINS的誤差量,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的校正。在該組合模式中,GPS接收機(jī)只提供星歷數(shù)據(jù)和偽距、偽距率即可,省去導(dǎo)航計(jì)算處理部分,有著精度高、魯棒性好、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。




    從EKF和UKF的計(jì)算過(guò)程可以看出，UKF具有以下優(yōu)點(diǎn)：
    (1) UKF直接利用非線(xiàn)性模型,避免引入線(xiàn)性化誤差,從而提高了濾波精度；
    (2) 不必計(jì)算雅可比矩陣；
    (3) 能對(duì)所有高斯輸入向量的非線(xiàn)性函數(shù)近似，均值精確到三階，方差精確到二階。
    綜上所述，UKF比較適合作為緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的信息融合算法。接下來(lái)將這兩種濾波算法分別應(yīng)用于緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，通過(guò)比較來(lái)說(shuō)明UKF相對(duì)于EKF的優(yōu)越性。
3 系統(tǒng)仿真分析
    下面在緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用EKF和UKF兩種濾波方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，進(jìn)而驗(yàn)證UKF優(yōu)于EKF。
    彈體運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)設(shè)置如下:初始緯度32°,經(jīng)度118°,高度300 m，初始失準(zhǔn)角為15°，三個(gè)方向的初始速度誤差分別為0.5 m、0.8 m和0 m，初始位置誤差分別為10′′、10′′和0，陀螺儀零偏為0.1°/h，相關(guān)時(shí)間為1 h，加速度計(jì)零偏為0.001 g,相關(guān)時(shí)間為0.5 h、GPS偽距誤差為1 m,偽距率誤差為0.05 m/s,仿真時(shí)間為4 000 s。仿真框圖如圖1所示。仿真結(jié)果如圖2~圖5所示。

 

 

    通過(guò)仿真結(jié)果可以明顯地看出，UKF在位置和速度的估計(jì)精度上優(yōu)于EKF,且UKF的穩(wěn)定性和收斂性也很好。
    基于GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)較松組合導(dǎo)航系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文首先建立了緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后將EKF和UKF濾波算法引入到緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，最后通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，證實(shí)了仿真結(jié)果和理論分析的一致性，進(jìn)而驗(yàn)證了UKF算法可以更好地處理非線(xiàn)性問(wèn)題。由此可見(jiàn)，UKF是GPS/SINS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中較適用的一種濾波算法。
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