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关键词：GPS/SINS，捷联惯导，组合导航，MATLAB，仿真
中图分类号：C05 文献标识码：c 文章编号：1009-914X(2012)29- 0281 -02
一、GPS系统和捷联惯导系统的基本原理
1.1 GPS系统的基本原理
随着当代科学技术的不断发展，航天技术、计算机技术、卫星导航技术、卫星测量技术以及卫星通讯技术也得到了不断成熟和提高，全球定位系统（GPS）就是将上述技术融合在一起而建立并发展起来的一种新型的高精度卫星定位和导航技术。
延时测距是全球定位系统（GPS）进行卫星定位的基本工作原理，即通过测量三维空间中四个已知位置到用户位置的信号传播延迟时间，分别推算出用户所处位置到这四个已知位置的距离，再根据这四个推算出的距离量解算出用户在三维空间中所处的位置以及用戶与已知位置的钟差。因为有四个未知量，若用户拥有与GPS系统时间严格同步的高精度原子钟，则钟差可以很容易得到，那么只需要用户位置与三维空间中三个已知位置的距离，就能得到用户实际所处的位置信息。但在实际工作中，由于成本关系，一般的GPS接收机不会装备高精度原子钟，而且实际测得的用户位置与已知位置的距离包含了很多误差（即伪距），则需要测量用户位置与三维空间中四个已知位置的距离，才能够解算出用户实际位置，实现定位。
1.2 捷联惯导（SINS）系统的基本原理
捷联（Strapdown）这个英文单词的原意就是“捆绑”的意思。所谓捷联惯导系统就是将惯性敏感元件（(陀螺仪与加速度计))直接“捆绑”在运动物体的机体上从而完成导航任务的系统。
捷联式惯性导航系统中，取消了平台式惯性导航系统中复杂的“机械式”平台，并在计算机中通过软件模拟出一个“数字式”平台进行代替，从而极大的降低了惯性导航系统的制造和维护成本，同时也极大的减小了惯性导航系统的体积和质量。由于取消了实物平台，所以在捷联惯导系统中，是将加速度计和陀螺仪直接固定安装在载体上的，再通过计算机来实时解算出姿态矩阵。加速度计和陀螺仪测量到的沿载体坐标系轴向的加速度信息，可以通过姿态矩阵变换到导航坐标系轴向，进而进行导航参数计算，最终获得载体的姿态、速度和位置信息。捷联惯导系统的原理框图如图1-1所示。
二、GPS和捷联惯导系统组合技术研究
2.1 简介
鉴于GPS系统和捷联惯导系统各自的优缺点，人们将这两种系统组合起来，组成了全球定位系统（GPS）/捷联惯导系统（SINS）组合导航系统。GPS/SINS组合导航系统将捷联惯导系统在短时间内导航精度高的优点和GPS系统导航误差不随时间增长而增加的优点有机的结合在一起，取长补短，使得单独使用一个导航系统时造成的缺陷得到了很好的弥补。
目前，最通用的做法是使用卡尔曼滤波技术来实现两种导航系统的组合导航。卡尔曼滤波技术通过两种导航系统各自的导航数据输出，采用滤波算法来估算出系统的误差，并利用误差状态的估计值来校正组合导航系统的输出，从而达到数据融合的目的。只要建立了组合导航系统的量测方程和状态方程，就可以通过卡尔曼滤波技术来实现组合导航，相对于其他技术比较容易实现。
2.2 GPS和捷联惯导系统的组合方式
由于使用的环境和要求不用，GPS/SINS组合导航系统所使用的组合方案也不同。在实际工程中，一般选择结构、算法比较简单的导航信息耦合方式，这种方式不但利于实现，而且耦合效果也比较理想。本文中使用了导航信息耦合方式。
在导航信息耦合方式中，需要用到卡尔曼滤波器。这种耦合方式的工作原理是：首先，分别得到GPS系统和SINS系统各自测量得到的位置和速度等导航数据，从而得到其差值；然后通过卡尔曼滤波器，利用得到的差值，对SINS系统的误差进行估计；最后，利用估计对SINS系统的输出进行校正。使用导航信息耦合方式的组合导航系统结构简单、利于实现，而且GPS和SINS仍然相互独立工作，若一个系统出现故障，另外一个系统仍然可以独立的完成导航工作。
采用输出校正的导航信息耦合GPS/SINS组合导航系统的原理框图如图2-1所示，采用这种耦合结构的组合导航系统不仅结构简单、容易实现，而且拥有不错的导航精度和性能。将GPS系统和SINS系统各自输出的位置、速度等导航数据做差，其差值经卡尔曼滤波器后，就能得到捷联惯导系统的导航数据误差的估计值。利用估计出的捷联惯导误差，就可以对捷联惯导系统的输出进行校正
2.4 组合系统的量测方程
三、仿真结果及分析
3.1 仿真结果
在仿真过程中，部分参数设定如下：陀螺仪白噪声漂移分量取，一阶马尔可夫陀螺漂移分量取，相应的一阶马尔科夫过程相关时间取500s，加速度计一阶马尔可夫漂移分量取。
3.2 仿真结果分析
从仿真结果可以看出，在GPS/SINS复合制导系统中，SINS和GPS之间彼此可以优势互补，取长补短。GPS 接收机可以向SINS提供有关它当前的积累误差的实时而准确的数值，并进行补偿，提高制导精度。SINS能够用准确的位置和速度初始值提供给GPS接收机跟踪回路，从而减少其采集GPS卫星信息所需要的时间。制导过程中，SINS把速度和加速度信息提供给GPS接收机，可以提高GPS接收机的抗干扰能力和动态特征。如果GPS接收机失去对卫星的自动跟踪，SINS仍然能够独立工作，并且提供的位置和速度值能够帮助GPS接收机及时地采集GPS卫星信息。
参考文献
1.Britting K R.Inertial navigation system analysis.New York:Wiley Interscience, 1971
2.杨艳娟.捷联惯性导航系统关键技术研究：[博士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2001
3.John Baziw, Corelius T.Leondes. In-Flight Alignment and Calibration of Inertial Measurement Units-Part I：General Formulation. IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, 1972, 8(4)：439-449
4.John Baziw, Corelius T.Leondes. In-Flight Alignment and Calibration of Inertial Measurement Units-Part II：Experimental Results. IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, 1972, 8(4)：450-465
5.程向红,万德钧,房建成.船用捷联惯导系统在系泊状态下的快速初始对准方法.船舶工程,1997(6)：38-42
6.程向红.捷联惯性导航系统动基座初始对准研究：[博士学位论文].南京：东南大学,1996
7.丁杨斌,申功勋.Unscented粒子滤波在静基座捷联惯导系统大方位失准角初始对准中的应用研究.宇航学报,2007,28(2)：397-401
8.张树侠,孙静.捷联式惯性导航系统.北京：国防工业出版社,1992：1-47
中图分类号：C05 文献标识码：c 文章编号：1009-914X(2012)29- 0281 -02
一、GPS系统和捷联惯导系统的基本原理
1.1 GPS系统的基本原理
随着当代科学技术的不断发展，航天技术、计算机技术、卫星导航技术、卫星测量技术以及卫星通讯技术也得到了不断成熟和提高，全球定位系统（GPS）就是将上述技术融合在一起而建立并发展起来的一种新型的高精度卫星定位和导航技术。
延时测距是全球定位系统（GPS）进行卫星定位的基本工作原理，即通过测量三维空间中四个已知位置到用户位置的信号传播延迟时间，分别推算出用户所处位置到这四个已知位置的距离，再根据这四个推算出的距离量解算出用户在三维空间中所处的位置以及用戶与已知位置的钟差。因为有四个未知量，若用户拥有与GPS系统时间严格同步的高精度原子钟，则钟差可以很容易得到，那么只需要用户位置与三维空间中三个已知位置的距离，就能得到用户实际所处的位置信息。但在实际工作中，由于成本关系，一般的GPS接收机不会装备高精度原子钟，而且实际测得的用户位置与已知位置的距离包含了很多误差（即伪距），则需要测量用户位置与三维空间中四个已知位置的距离，才能够解算出用户实际位置，实现定位。
1.2 捷联惯导（SINS）系统的基本原理
捷联（Strapdown）这个英文单词的原意就是“捆绑”的意思。所谓捷联惯导系统就是将惯性敏感元件（(陀螺仪与加速度计))直接“捆绑”在运动物体的机体上从而完成导航任务的系统。
捷联式惯性导航系统中，取消了平台式惯性导航系统中复杂的“机械式”平台，并在计算机中通过软件模拟出一个“数字式”平台进行代替，从而极大的降低了惯性导航系统的制造和维护成本，同时也极大的减小了惯性导航系统的体积和质量。由于取消了实物平台，所以在捷联惯导系统中，是将加速度计和陀螺仪直接固定安装在载体上的，再通过计算机来实时解算出姿态矩阵。加速度计和陀螺仪测量到的沿载体坐标系轴向的加速度信息，可以通过姿态矩阵变换到导航坐标系轴向，进而进行导航参数计算，最终获得载体的姿态、速度和位置信息。捷联惯导系统的原理框图如图1-1所示。
二、GPS和捷联惯导系统组合技术研究
2.1 简介
鉴于GPS系统和捷联惯导系统各自的优缺点，人们将这两种系统组合起来，组成了全球定位系统（GPS）/捷联惯导系统（SINS）组合导航系统。GPS/SINS组合导航系统将捷联惯导系统在短时间内导航精度高的优点和GPS系统导航误差不随时间增长而增加的优点有机的结合在一起，取长补短，使得单独使用一个导航系统时造成的缺陷得到了很好的弥补。
目前，最通用的做法是使用卡尔曼滤波技术来实现两种导航系统的组合导航。卡尔曼滤波技术通过两种导航系统各自的导航数据输出，采用滤波算法来估算出系统的误差，并利用误差状态的估计值来校正组合导航系统的输出，从而达到数据融合的目的。只要建立了组合导航系统的量测方程和状态方程，就可以通过卡尔曼滤波技术来实现组合导航，相对于其他技术比较容易实现。
2.2 GPS和捷联惯导系统的组合方式
由于使用的环境和要求不用，GPS/SINS组合导航系统所使用的组合方案也不同。在实际工程中，一般选择结构、算法比较简单的导航信息耦合方式，这种方式不但利于实现，而且耦合效果也比较理想。本文中使用了导航信息耦合方式。
在导航信息耦合方式中，需要用到卡尔曼滤波器。这种耦合方式的工作原理是：首先，分别得到GPS系统和SINS系统各自测量得到的位置和速度等导航数据，从而得到其差值；然后通过卡尔曼滤波器，利用得到的差值，对SINS系统的误差进行估计；最后，利用估计对SINS系统的输出进行校正。使用导航信息耦合方式的组合导航系统结构简单、利于实现，而且GPS和SINS仍然相互独立工作，若一个系统出现故障，另外一个系统仍然可以独立的完成导航工作。
采用输出校正的导航信息耦合GPS/SINS组合导航系统的原理框图如图2-1所示，采用这种耦合结构的组合导航系统不仅结构简单、容易实现，而且拥有不错的导航精度和性能。将GPS系统和SINS系统各自输出的位置、速度等导航数据做差，其差值经卡尔曼滤波器后，就能得到捷联惯导系统的导航数据误差的估计值。利用估计出的捷联惯导误差，就可以对捷联惯导系统的输出进行校正
2.4 组合系统的量测方程
三、仿真结果及分析
3.1 仿真结果
在仿真过程中，部分参数设定如下：陀螺仪白噪声漂移分量取，一阶马尔可夫陀螺漂移分量取，相应的一阶马尔科夫过程相关时间取500s，加速度计一阶马尔可夫漂移分量取。
3.2 仿真结果分析
从仿真结果可以看出，在GPS/SINS复合制导系统中，SINS和GPS之间彼此可以优势互补，取长补短。GPS 接收机可以向SINS提供有关它当前的积累误差的实时而准确的数值，并进行补偿，提高制导精度。SINS能够用准确的位置和速度初始值提供给GPS接收机跟踪回路，从而减少其采集GPS卫星信息所需要的时间。制导过程中，SINS把速度和加速度信息提供给GPS接收机，可以提高GPS接收机的抗干扰能力和动态特征。如果GPS接收机失去对卫星的自动跟踪，SINS仍然能够独立工作，并且提供的位置和速度值能够帮助GPS接收机及时地采集GPS卫星信息。
参考文献
1.Britting K R.Inertial navigation system analysis.New York:Wiley Interscience, 1971
2.杨艳娟.捷联惯性导航系统关键技术研究：[博士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2001
3.John Baziw, Corelius T.Leondes. In-Flight Alignment and Calibration of Inertial Measurement Units-Part I：General Formulation. IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, 1972, 8(4)：439-449
4.John Baziw, Corelius T.Leondes. In-Flight Alignment and Calibration of Inertial Measurement Units-Part II：Experimental Results. IEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems, 1972, 8(4)：450-465
5.程向红,万德钧,房建成.船用捷联惯导系统在系泊状态下的快速初始对准方法.船舶工程,1997(6)：38-42
6.程向红.捷联惯性导航系统动基座初始对准研究：[博士学位论文].南京：东南大学,1996
7.丁杨斌,申功勋.Unscented粒子滤波在静基座捷联惯导系统大方位失准角初始对准中的应用研究.宇航学报,2007,28(2)：397-401
8.张树侠,孙静.捷联式惯性导航系统.北京：国防工业出版社,1992：1-47