GNSSINS松组合系统的硬件平台设计文献综述

 2022-09-24 10:09

文献综述(或调研报告):

1. GNSS INS概述

文献[1]是博士毕业论文,介绍了导航系统中的GNSS和INS,GNSS主要介绍了GPS和GLONASS。全球定位系统(GPS)是一种全球性的全天候定位系统,能够提供UTC规模的三维位置和时间同步。 GPS定位基于单向测距技术:通过光速测量和缩放由卫星发射的信号的行进时间以获得卫星 - 用户距离。为了测量信号的传播时间,卫星和接收机都配有时钟,卫星广播测距信号; 测距信号是特定的代码,其中嵌入了定时信息,该定时信息使接收机能够根据卫星时钟计算信号何时离开卫星。 在理想条件下,卫星和接收器时钟是同步的,行进时间乘以光速,提供真正的卫星接收器范围; 在这种情况下,用户位置将属于以卫星位置为中心的球面(在传输时期)并且半径等于真实范围。 因此,三个同时的距离测量定义了三个球面,其交叉点即确定的坐标。

惯性导航系统(INS)是能够确定运动物体的所有导航状态的传感器的组合,即位置,速度和姿态; 传感器集合是惯性测量单元(IMU),由三个加速度计和三个陀螺仪组成,安装在正交三元组上。为了获得运动物体的速度,应该对重力项进行校正测量的比力,积分一次,并将结果加到初始速度上。将获得的速度积分并添加初始位置,得到最终位置。因此INS可以被认为是复杂的航位推算(DR)系统。然而,INS实际上更复杂,因为测量的比力表示在与通常表示速度和位置的帧不同的帧中(导航帧)。由于这个原因,陀螺仪三元组包含在IMU中:陀螺仪能够测量相对于惯性框架的角速率,当集成时,惯性框架提供相对于先前假定的已知初始方向的角度变化。因此,陀螺仪用于转换导航框架中测量的特定力;转换可以是机械的,即IMU在物理上与导航框架(万向配置)或分析对齐,即加速度测量在导航框架中进行数值转换。

2. GNSS/INS松组合

参考文献中大多文献都对GNSS/INS的松组合进行了详细的说明。这里参考文献[1]中提供的松组合策略。实现松组合策略,包括用于组合 INS 和 GNSS 导航参数的 KF(卡尔曼滤波器),并且使用另一个块的原始数据来估计GNSS 导航解决方案。来自接收器的原始 GNSS 测量值在专用块中独立处理。LS 估计器优选地简化直接 LC / TC 比较并且执行单点模式,仅采用伪距和多普勒可观测量作为原始测量。使用机械化方程获得惯性解,用于捷联配置到来自 IMU 的加速度和角速率。 INS 和 GNSS 位置和速度之间的差异用作 KF 的输入测量值; 考虑到辅助源的不确定性,即 GNSS 位置和速度,输入到 KF 的相关测量协方差矩阵 R 是LS 协方差矩阵。可以采用 WLS 估计器来代替简单的 LS 估计器来处理 GNSS 测量,以根据所选择的标准(例如,卫星的高度)考虑可观察量的不同固有精度和/或与单个测量相关联的不同“信任”。文献中提出的方案以闭环方式运行,包括将估计的 INS 误差从 KF 发送回机械化和 IMU 块; 详细地,估计的导航误差被发回以校正 INS 状态,并且传感器估计的误差用于根据(2-26)补偿原始 IMU 测量。替代模式是开环模式,其中INS 独立于 KF 估计器操作,并且估计的错误不被发送回机械化和 IMU 块; 以这种方式,惯性传感器误差保持不变,并且惯性导航状态误差迅速增加,从而在组合系统中引入大的误差。开环模式只能用于高端惯性传感器,其特点是误差小;通常对于低成本或基于 MEMS 的惯性系统,闭环是必要的。在文献[1]的后面部分也详细推导了松组合估计器和卡尔曼滤波器的模型。

1.松组合和紧组合性能比较

文献[2]比较了松组合和紧组合的性能,它们之间的基本区别是GPS接收器和INS传感器共享的数据类型。在松组合技术中,GPS接收器估计的位置和速度与INS导航解决方案混合,而在紧组合方法的情况下,GPS原始测量(即伪距和多普勒可观测量)通过唯一处理卡尔曼滤波器使用来自惯性传感器的测量来估计PVT。紧组合的主要优点是,由于伪距和多普勒趋势的预测,在信号质量差或覆盖范围有限的情况下也可以更新混合导航解决方案。

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