[发明专利]GPS/SINS组合导航全数字仿真方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于组合导航领域，具体涉及GPS/SINS组合导航全数字仿真方法及装置，对实际的组合导航系统的设计、方案论证有着重要的意义。

背景技术

为了获得移动载体的实时位置、速度和姿态信息，多种导航方式已经被提出和采用。其中，以捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)和全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)的应用最为广泛。

SINS不仅能够提供载体位置、速度参数，还能提供载体的三维姿态参数，是完全自主的导航方式，在航空、航天、航海和陆地等几乎所有领域中都得到了广泛应用。但是，SINS难以克服的缺点是其导航定位误差随时间累加，难以长时间独立工作。

20世纪末发展起来的GPS具有定位和测速精度高的优势，且基本上不受时间、地区的限制，已经得到了广泛应用。但是，在卫星信号受到屏蔽或遮挡时，接收机就无法定位。因而，对导航定位可靠性要求较高的情况下GPS很难单独应用。

可以看出，GPS和SINS都存在着自身难以克服的缺点。但是，GPS和SINS又具有很强的互补性，两者的组合不仅可以充分发挥各自的优势，而且随着组合程度的加深GPS/SINS组合系统的总体性能要远远优于各独立系统。组合系统利用高精度的GPS信息作为外部量测输入，在运动过程中修正SINS，以控制其误差随时间的累积；而短时间内高精度的SINS定位结果，又可以解决GPS动态环境中的信号失锁和周跳问题。SINS还可以辅助GPS接收机增强其抗干扰能力，提高捕获和跟踪卫星信号的能力。因此，GPS/SINS组合系统被认为是目前导航领域最理想的组合方式。

高精度的器件也带来了高价格的问题。根据市场调研，国内目前高精度的惯性测量单元价格在几十万左右，能够提供伪距、伪距率信息而且定位精度到达厘米级别的GPS的价格也在10万元以上。这在一定程度上，特别是在民用领域，限制了GPS/SINS组合系统的推广应用。因此，低成本的GPS/SINS组合导航系统已成为国内外的研究热点之一。

对于低成本的GPS/SINS组合导航系统，其核心问题是如何通过改善软件算法来提高导航精度。在软件方面，捷联矩阵的更新、误差建模、卡尔曼滤波等关键技术都会影响最终导航的精度。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种低成本、高精度导航装置及方法，本发明采取的技术方案是，一种GPS/SINS组合导航全数字仿真装置，由轨迹发生器模块、IMU仿真器、GPS仿真器、SINS解算模块以及卡尔曼滤波器模块构成；轨迹发生器模块用于产生飞行轨迹数据；IMU仿真器用于模拟陀螺仪和加速度计的实际情况，输出载体的三维角速度信息和三维加速度信息；GPS仿真器模拟GPS接收机，输出载体的伪距、伪距率、位置和速度信息；SINS解算模块将IMU仿真器的输出进行解算获得载体的位置、速度和姿态信息；卡尔曼滤波器模块将GPS和SINS可以按照松散组合和紧密组合两种不同的组合方式，采用Kalman滤波方法进行数据融合。

所述轨迹发生器模块采用数学方法模拟包括爬升、平飞、下降在内的各种各样的飞行轨迹，提供组合导航仿真系统需要的姿态角、姿态角速率、位置、速度、加速度五组共十五个飞行轨迹数据；

IMU仿真器将轨迹发生器模块提供的姿态角速率和加速度信息作为输入，依据陀螺仪和加速度计的误差模型，加入误差，模拟陀螺仪和加速度计的真实输出，最后将结果输出给SINS解算模块；

GPS仿真器利用软件编程实现GPS的功能，将轨迹发生器提供的位置、速度信息，以及参考卫星星历数据作为输入，输出伪距、伪距率、位置和速度信息给卡尔曼滤波器模块；

SINS解算模块利用IMU仿真器输出的带有误差的姿态角速度和加速度信息，默认采用四元素法进行解算，得到载体的位置、速度和姿态信息。