基于MEMS的SINS和GPS/BDS组合导航系统

基于MEMS的SINS和GPS/BDS组合导航系统

来源 http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10335-1016073768.htm

       惯导系统主要分为平台式惯导系统和捷联式惯导系统两大类。惯导系统（INS）是一种不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，可在空中、地面、水下等各种复杂环境下工作的特点。
　　捷联惯导系统（SINS）是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为"数学平台"，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。由于惯性元有固定漂移率，会造成导航误差，因此，远程导弹、飞机等武器平台通常采用指令、GPS或其组合等方式对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。如采用指令+捷联式惯导、GPS+惯导（GPS/INS）。美国的战斧巡航导弹采用了GPS+INS +地形匹配组合导航。 [1]

惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，之后将其变换到导航坐标系，得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。对捷联惯导系统而言，平台的作用和概念体现在计算机中，它是写在计算机中的方向余弦阵。直接安装在载体上的惯性元件测得相对惯性空间的加速度和角加速度是沿载体轴的分量，将这些分量经过一个坐标转换方向余弦阵，可以转换到要求的计算机坐标系内的分量。如果这个矩阵可以描述载体和地理坐标系之间的关系，那么载体坐标系测得的相对惯性空间的加速度和角速度，经过转换后便可得到沿地理坐标系的加速度和角速度分量，有了已知方位的加速度和角速度分量之后，导航计算机便可根据相应的力学方程解出要求的导航和姿态参数来。

        导航在日常生活中的应用越来越多,而由单一导航系统构成的设备在实际应用中存在着许多问题,这些问题很多是由原理上的缺陷造成的,很难改进。在不改变导航设备物理性能的情况下,组合导航是一个很好的改进方法。在最常见的组合导航系统中,卫星导航和惯性导航的组合导航系统应用最广。我国的北斗卫星导航系统目前已完成对亚太地区的覆盖,在中国地区性能还有加强,因此在我国地区北斗系统也成为了和GPS一样极具竞争力,市场上也出现了GPS/BDS双模芯片。在本文中对这种双模芯片做了比较详细的分析比较,得出了这种芯片在定位精度上有明显的提升。惯性导航具有良好的自主性,受环境影响小,能很好的弥补卫星导航的劣势,其中的捷联式惯性导航系统具有成本低、体积小的特点,再加以MEMS惯性元件使其在民用市场有非常大的应用空间。本文研究了基于MEMS的捷联惯导系统和GPS/BDS双模卫星导航系统组成的组合导航系统,采用了DSP芯片作为其导航计算机,运用卡尔曼滤波技术完成了松组合的导航解算。

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