摘 要

随着科技的日益发展，对导航定位系统精确性可靠性的要求也越来越高。全球定位导航系统（GPS）作为应用最广的导航技术，能够进行高精度长时效的导航定位，但容易受环境干扰，甚至导致定位的失败。相比之下，惯性导航系统（INS）具有自主性，受环境影响较小，然而，惯导系统工作时，初始误差会随时间不断积累，系统不适合长时间导航。因此，利用惯性导航短时间高精度和卫星导航系统长时间稳定性的特点，融合惯性导航和GPS的导航系统具有重要的研究意义。

本文将先对全球定位导航系统和惯性导航系统的发展历史、性质、原理、特点进行描述，会通过列出数学公式的方法阐述惯性导航的工作原理，还将对导航坐标系等与导航相关的知识进行简单的概括。然后，会在两者的基础上引入组合导航的概念并进行介绍。在介绍组合导航之后，本文将对本次设计“融合惯导和GPS定位的智能头盔设计”进行重点介绍，该设计的定位信号获得方式，设计硬件组成部分，惯性导航与GPS的融合具体方式都将会说明。随后论文将对本设计的实验过程进行描述并说明，最后，通过对实验结果的分析和总结得出结论，对设计的实用性进行论证。

关键词：导航技术；GPS；惯性导航；定位系统

Abstract

With the development of science and technology, the accuracy and reliability of navigation and positioning system is becoming more and more important. Global positioning navigation system (GPS), as the most widely used navigation technology, can carry out high-precision and long-aging navigation and positioning, but it is vulnerable to environmental interference and even leads to failure of positioning. Inertial navigation system (INS), by contrast, has the autonomy, less affected by the environment, however, inertial navigation system, the initial error will accumulate over time, the navigation system is not suitable for long time. Therefore, it is of great significance to study the integrated inertial navigation system and GPS navigation system by utilizing the characteristics of short time precision of inertial navigation system and long time stability of satellite navigation system.

This paper will firstly come to the development of global navigation and positioning system and inertial navigation system,, principle, characteristics, history will be introduced by mathematical formula method in this paper, the working principle of inertial navigation, will also be on navigation system navigation related knowledge such as a simple generalization. The concept of combined navigation is then introduced and introduced on the basis of both. After the introduction of integrated navigation, this paper will be of the design of "fusion of inertial and GPS smart helmet design are introduced, the design way of positioning signal gain, design the hardware part of inertial navigation and GPS integration will illustrate the specific way. After that, the paper will describe and explain the experimental process of this design. Finally, by analyzing and summarizing the experimental results, the conclusion is drawn, and the practicability of the design is demonstrated.

Key Words： Navigation technology; GPS；Inertial navigation; Positioning

目 录

摘 要 5

Abstract 6

1 绪论 7

1.1 研究背景 7

1.2 国内外研究现状 8

2惯性导航与GPS全球定位系统 9

2.1 惯性导航 9

2.1.1 惯性导航简介 9

2.1.2 惯性导航工作原理 9

2.1.3 惯性导航存在的问题 10

2.2 全球定位系统（GPS） 11

2.2.1 常用导航坐标系 12

2.3 组合导航 14

3 融合惯性导航和GPS的导航定位装置 15

3.1.1 设计目的 15

3.2. 基本工作原理 15

3.2.1 GPS定位的获得 16

3.2.2惯性导航定位的获得 17

3.2.3数据融合 18

3.3.1 硬件部分 18

3.4.1 实验过程 20

3.4.2 实验结果 20

参考文献 25

致 谢 26

1 绪论

1.1 研究背景

如今，随着科学和技术的不断进步，无论是在军事还是民用领域对于精确导航的要求越来越高。如今被广泛使用的导航系统有很多，例如：美国的全球卫星导航系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略卫星导航系统、中国的北斗系统、多普勒导航系统、大气数据系统、奥米加系统、罗兰导航系统、磁航向仪以及惯性导航系统等等。然而，它们各具特点，功能也不大相同，并且都有各自的优缺点和适合的领域。如何把这些林林总总的导航系统融合起来充分利用，把不同的导航系统相组合加以应用，发挥他们的特点，进而实现高精度、强稳定性、低价格的导航模式是一个值得长期投入人力、物力和财力研究的方向。论文将主要选取惯航系统和卫星导航系统进行研究。

惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS），它的原理是通过运动传感器测量惯性元件的数据，再利用牛顿力学进行惯导解算。惯性元件主要由陀螺仪和加速度计构成，分别测量运动载体的角速度和加速度等导航信息，并通过数学模型计算出载体的速度、位置和姿态角，最终实现导航定位的目的。惯性导航系统可以分为两类，分别是平台式惯导和捷联式惯导平台（SINS-Strap down Inertial Navigation）。平台式惯导发展较早，主要是用惯导平台来模拟导航坐标系，一般质量比较重，体积也大，使用起来非常不方便。而捷联式惯导是将加速度传感器和陀螺仪传感器直接固定在载体上面，通过计算机技术完成惯导平台的模拟。这样使得捷联式惯导平台的体积更小、重量更轻、安装更便捷、成本更低廉。基于捷联性惯导平台的以上优点，捷联式惯导替代平台式惯导并逐渐成为惯导系统发展的主要方向。

卫星导航系统（Globe Positioning System, GPS）是一种结合天文导航和无线电导航而形成的导航方式，最初由美国海军研发，经过多年的发展已经达到了21颗卫星，逐渐形成了三维的全天候的导航系统，并且能够长时间的提供给用户高精度定位、导航和授时功能。组合导航是将两种或者多种导航系统进行融合，取长补短，达到提高导航系统精度的效果，同时导航系统还记有一定的冗余性，能够提高系统的稳定性，这样一来使得组合导航系统的使用价值得到了更高的提升。SINS和GPS各有利弊，并且两者之间存在着很好的互补特性，两种导航系统的融合可以充分发挥各自的优点。利用惯导系统短时间内的高精度和卫星导航系统长时间的稳定性的特点，避免了惯导系统误差随时间积累和卫星导航受环境影响大、易失锁的缺点。增强了导航系统的抗干扰能力，组合导航系统的定位精度也优于单一的导航系统的定位精度。

1.2 国内外研究现状

人类漫长的进化过程中，古人很早就开始利用导航技术，像利用指南针、罗盘以及北斗七星识别方向都是关于导航一些早期应用。随着科学技术的迅猛发展，人们对于导航的认识和使用也变得更为多样化，而不仅仅局限于利用一种导航方式，往往为了精确导航，同时使用两种或者两种以上的导航方式进行组合。

惯性导航是人类利用的一种比较早的导航方式，它不依赖于外部环境，独立性强。德国是军事上使用惯性导航技术较早的国家，在1942年在火箭和飞机上完成了惯导的实验，。随后，美国海军研究了自己的卫星导航技术，形成了GPS导航的雏形。与此同时，多普勒导航和GPS导航组合，GPS和罗兰-C组合也得到了一些具体的应用。

GPS是卫星导航当中发展最早，技术最先进，应用最广的导航系统。它是一种全球定位的系统，于1958年，美国军方开始对该项目开展研究并成功在六年以后投入使用。上世纪七十年代，新一代的卫星导航系统GPS由美国海军、陆军、空军三军联合研制。主要目的是为美军提供三全导航服务（全时，全球，全实时）。除此以外，该导航系统还无数次被用于情报侦察，交通导航，应急通讯等军事项目。历经20年，耗资300亿美元，GPS全球导航系统于1994年成功完成对其卫星星座的布局，覆盖率遍及全球。

作为基于惯性导航和卫星导航的基础上发明的导航方式，组合导航也是当前导航邻域的热点。国外对于惯导和卫星导航组合导航系统的研究较早。20世纪80年代欧美的一些军方部队和一些比较大的民用厂家认识到了惯导和GPS组合导航系统的重要性，纷纷投入到了这项研究中。1993年美国空军为了验证战斗机上搭载炸弹和装备的可靠性，进行了INS/GPS组合导航的军事实验。并于1998年在新服役的F-16战机上面安装了INS/GPS组合套件。Rockwell-Collins公司给自己的飞机在原有的GPS基础上添加了惯导模块，形成了惯导和GPS组合导航的一套设备。法国的SAGEM公司也研制了一款名为“All-in-One”的GPS和INS组合装置。美国的Honeywell公司和斯坦福电信公司共同开发了一套由惯性系统、大气数据传感器系统和GPS导航系统组合成的导航系统。

国内由于惯性导航器件的制作工艺比较落后，市场需求量不足。只是停留在了一些简单的研究层面，主要是一些科研单位以及高校在进行相关工作的研究，并设计一些关于惯导和卫星导航组合系统的试验样机，但缺乏广泛的应用。

2惯性导航与GPS全球定位系统

2.1 惯性导航

2.1.1 惯性导航简介

惯性导航是在20世纪中叶开发的完全自主导航技术。惯性测量单元（IMU）测量载体在相对惯性空间中的运动信息，例如角速度，加速度等。然后，利用牛顿运动定律中的加速度，速度和位移之间的数学关系，计算出载体的瞬时速度和位置信息。惯性导航具有不依赖外部信息，不向外辐射能量，不受气象条件影响，不受干扰，隐蔽性好的特点。并能持续提供载体的所有导航，制导参数（位置，线速度，角速度，姿态角）它广泛应用于航空航天和航海领域，特别是在军事领域。

惯性导航是一种完全自主的导航方法，它依靠自己的设备自主完成导航任务，无需与外界进行任何光电接触。此外，该工作不受气象条件的限制，广泛应用于航空，航空等领域。理论基础是牛顿的力学基本定律。在两次积分之后，确定行进的距离以确定设备的位置。

2.1.2 惯性导航工作原理

其理论基础为牛顿力学基本定律，技术手段是利用加速度计测出装置相对导航坐标系（如地理坐标系）的运动加速度，经过两次积分得到经过的距离，从而确定装置所在的位置。在本设计中，惯性导航模块穿戴于实验者的腿上，惯导模块测出实验者运动时的加速度，再通过积分运算获得导航系统实时与初始位置之间的相对位移。进而获得实时位置。

在个人导航中，导航装置安装在行人身上，因为加速度测量的是载体坐标系的加速度，故需要先消除加速度计的仪器误差，再把其补偿后的测量值换算成 ENU 坐标系下的加速度值。常用导航坐标系可知，这需要知道载体坐标系相对地理坐标系的三个姿态角(p，r，y)，求出转换矩阵。

接下来计算出 ENU 坐标系下的加速度值：其中为载体坐标系下加速度，为ENU坐标系下加速度

(2.1)

则在 ENU 坐标系下的速度为：

(2.2)

S(0)为开始航迹推算时的速度。 距离计算的公式为：

(2.3)

最后，可以计算出载体的位置为：

2.1.3 惯性导航存在的问题

由2.1.2可知惯性导航应用牛顿力学，通过所得的加速度信息计算出位移信息，从而得出载体在坐标系当中的坐标值，故过程中将遇到积分运算。

在惯性导航的过程中将产生误差。误差大致可分为以下两类：系统误差和元件误差。系统误差主要包括两类，第一类是由于惯性器件在安装过程中引起的误差，这类误差可以通过标定基准进行消除。另一类误差是由于陀螺漂移和加速度计的零位误差，这类误差约占系统误差的九成左右，并且是因为制作工艺不完善、生产水平不达标等客观原因造成，可控性差，消除起来困难。因此第二类误差也是上述误差影响最大的误差。误差在导航系统工作过程中会随积分运算关系不断积累，有时候甚至在载体没有移动的情况下，误差仍然不断积累。元件的误差中，静态误差、动态误差和随机误差是捷联系统的三种典型误差模型。静态误差与载体的线性运动关系紧密，是沿载体轴向轨迹运动过程中产生的误差；动态误差是将载体坐标系作为基准，是物体在运动过程中生成的误差值，动态误差本质上是一种由角旋转导致的误差；随机误差在惯导系统中变化没有任何规律，是由载体运动过程中的线运动和角运动所造成。物理结构上惯性器件和轨迹的运动连系紧密，导致惯导产生较大的动态误差。通过构建惯导元件的动态误差数学模型可以形成有一定规律的误差，再经过计算能够很好的对这部分误差进行补偿。

除此以外，惯性导航还有诸多缺点，例如：每次使用前都需要较长的初始对准时间；设备价格昂贵；不能给出准确时间信息等。如果将其与其他导航方式（如GPS）相融合，做到扬长避短，优势互补，便可以成为一种即可靠有精准的导航方式。

2.2 全球定位系统（GPS）

美国全球卫星导航系统全称为 NAVSTAR GPS（NAVigation Signal And Ranging Global Positioning System）。它由卫星星座(空间段)、地面控制和监测网(控制段)和用户接收设备(用户段)组成。它能够实现各用户在近地空间的全球、全天候、实时、连续导航定位信息，如精确的三维位置坐标、速度和时间PVT (时间)。GPS作为一种卫星定位导航系统，具有精度高、通信量大的特点。但是，该系统不能提供载体姿态等导航参数。当在飞行载体上使用时，接收机通常难以捕获和跟踪卫星的载波信号，甚至由于载体的机动运动而失去对跟踪信号的锁定。惯性导航系统通过内部惯性器件(陀螺仪和加速度计)测量出当前运动状态信息。它是封闭的，不需要与外界交流，而且具有很强的独立性。缺点是，随着导航的继续，惯性导航将偏离(由温度变化和振动引起，可以通过算法进行补偿)。

GPS导航系统的基本原理是测量已知位置的卫星与用户接收机之间的距离。为此，卫星的位置通常由卫星时钟的时间记录，然后由卫星日历检测。测量卫星和用户之间距离的方法是首先测量卫星信号传输给用户所需的时间，然后再乘以光速（3*10^8m/s）。但是，由于电离层对大气的干扰，测量的距离并不等于用户与卫星之间的实际距离，而伪距（pr）：当GPS卫星正常运行时，它将继续发射已经合成的二进制符号1和0的伪随机码导航消息。 GPS系统中使用的伪码有两种。 P码频率为10.23mhz，重复周期为266.4天，码间距为0.1微秒。 y码是在p码的基础上形成的，其安全性能良好。导航信息包括卫星日历，工作状态，时钟校正，电离层延迟校正，大气折射校正等。它由卫星信号解调并以载波频率调制为50b / s发送。导航消息的每个主帧包含5个子帧和6个长度。前三帧每个都有10个字符代码;每30秒重复一次，每小时更新一次。导航消息的内容主要包括遥测码，转换码，数据块1,2和3，其中星历的数据是最重要的。在接收到导航信息后，用户可以通过提取卫星的时间并将其与自己的时钟进行比较来了解卫星与用户之间的距离。然后发送导航信息，利用卫星的卫星星历数据计算导航信息位置，可以知道用户在WGS-84大地坐标系中的位置和速度等信息。

GPS设备（Global Position System）是全球定位系统（GPS），用于接收和解析空间中的多个卫星回波信息和时间信息，计算GPS接收机位置的经度，纬度，高度和速度。 GPS设备通常配备有GPS接收器，语法分析器和高效的微型计算机。

一个完整的GPS主要由三部分组成：空间段、控制段和用户段。