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直接配置中GPS輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究

車輛沿著某一軌道運行時自主估計車輛的狀態(tài)（如位置、速度和方向等）的過程被稱為導(dǎo)航。而自主導(dǎo)航是有人駕駛和無人駕駛車輛的一個重要功能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）是應(yīng)用比較廣泛的航位推算系統(tǒng)。但是，當(dāng)車輛使用較低成本的傳感器時，INS只能在短期內(nèi)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(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了兩者的優(yōu)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(tài)進行估計。

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

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

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

為了測試所提出的方法，使用馬拉加數(shù)據(jù)集作為輸入信號的Matlab實施方法被離線執(zhí)行，馬拉加數(shù)據(jù)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(jié)果表明，該系統(tǒng)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