直接配置中GPS輔助慣性導航系統研究

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直接配置中GPS輔助慣性導航系統研究

車輛沿著某一軌道運行時自主估計車輛的狀態（如位置、速度和方向等）的過程被稱為導航。而自主導航是有人駕駛和無人駕駛車輛的一個重要功能。慣性導航系統（INS）和全球定位系統（GPS）是應用比較廣泛的航位推算系統。但是，當車輛使用較低成本的傳感器時，INS只能在短期內提供正確和高頻率（100~ 200Hz）的信息；而GPS在低頻域（1~4Hz）提供車輛參考位置和速度估計值。INS和GPS的融合可以形成一個導航系統，該系統充分利用了兩者的優點，并且克服了單獨使用時的缺點。因此，GPS輔助INS可以對車輛的全狀態進行估計。

卡爾曼濾波通常被用來估計系統的狀態變量、抑制測量噪聲，其已被認為是最強有力的狀態估計技術之一。所研究的GPS-INS集成系統的架構基于在直接配置擴展卡爾曼濾波的方法。該方法能通過預測狀態和測量殘差（預測值和當前值之間的差異）來更新狀態向量。

系統預測狀態。預測方程通過從陀螺儀和加速度計獲得測量結果及時進行系統狀態估計，估計的向量狀態由22個狀態變量組成，16個狀態變量描述車身6自由度的運動，其余6個狀態變量描述傳感器誤差（陀螺儀和加速度計偏差）。

系統更新。為了糾正和限制所估計系統狀態的偏差，通過更新方程將全球參考信息和系統動力學先驗假設融合到該系統中。系統更新考慮了3種系統：①車輛動力學先驗知識以中等速度并入到系統中；②車輛的姿態信息以可變速率融入到系統中；③車輛位置和航向信息以低速率融入到系統中。

為了測試所提出的方法，使用馬拉加數據集作為輸入信號的Matlab實施方法被離線執行，馬拉加數據集由在線免費提供，包含了傳感器信號和精確的地面實況。試驗結果表明，該系統在使用低成本傳感器時仍然具有很好的魯棒性。

刊名：Journal of Applied Research and Technology（英）

刊期：2014年第12期

作者：R. Munguía

編譯：王瑩