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基于MEMS/GPS组合导航的无人机导航系统研究

陈智超  
【摘要】:MEMS惯性传感器与GPS的组合导航在实时导航方面的应用非常广泛,尤其对于无人机的导航系统,因其体积较小、灵活轻便的特点,较其它导航方式更为适合。但传统的导航系统多不能完全达到无人机导航系统所要求的实时性、可靠性和准确性。本文重点讨论了针对无人机的组合导航方案优化问题,合理使用GPS的信息来和MEMS-IMU进行组合,最大程度满足导航系统的要求。本文主要是使用的导航方式是GPS载波相位时间差分与惯导数据的紧组合,载波相位时间差分方法使用了高精度的载波相位信息,同时避免了求解整周模糊度这一复杂过程,提高了系统的实时性;再结合实时性好、误差稳定,但精度较低、误差发散的惯导系统后,可有效抑制惯导误差,输出精确的导航信息;但载波相位时间差分定位方法缺少绝对定位,无法抑制惯导位置误差信息的缓慢累积效应;为此引入了伪距辅助,在更长周期上为系统提供位置阻尼,组成了伪距/惯导辅助载波相位时间差分的组合导航系统,消除了各自的缺点,有效提高组合导航系统性能。此外还探讨了基于GPS观测量得到的高精度速度信息和单天线姿态信息,建立松组合系统,和载波相位时间差分的紧组合进行对比分析。针对紧组合,建立组合导航系统的数学模型,设计组合导航系统结构图,分析微惯性传感器的误差模型,建立组合导航系统的状态方程和量测方程,设计适合导航系统的扩展卡尔曼滤波器,试验仿真验证组合导航系统的合理性。又针对松组合进行仿真,分析两种组合方式的差异,各自的优缺点以及适用的环境。测试结果表明,本文设计的组合导航系统适用于无人机,满足系统要求的实时性、准确性和可靠性。


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