捷聯(lián)慣導(dǎo)和GPS緊組合及系統(tǒng)誤差補(bǔ)償技術(shù)
傳統(tǒng)的GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合技術(shù)中存在著一個(gè)基本矛盾，即高精度組合系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性較差，而實(shí)時(shí)性和可靠性好的組合系統(tǒng)精度較低。比如，RTK和捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合系統(tǒng)精度很高，但是隨著定位位置到GPS基站距離的增加，系統(tǒng)的可靠性逐漸下降，且由于需要進(jìn)行整周模糊度解算而實(shí)時(shí)性較差，因此不能應(yīng)用于無區(qū)域限制的實(shí)時(shí)導(dǎo)航中；偽距和捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合系統(tǒng)具有很好的可靠性和實(shí)時(shí)性，適于導(dǎo)航應(yīng)用，但精度較差。本書討論了通過GPS信息的合理應(yīng)用以及新的組合技術(shù)來提高GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能。另外，慣性傳感器的隨機(jī)誤差和捷聯(lián)慣導(dǎo)的初始對(duì)準(zhǔn)誤差是組合導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵誤差，本文還討論了通過新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)GPS輔助下的這兩種誤差的最優(yōu)補(bǔ)償。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 全球定位系統(tǒng)的基本原理與誤差特性 1
1.1.1 GPS定位的基本要素 1
1.1.2 GPS定位的方法 2
1.1.3 GPS的誤差源和誤差特性 5
1.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本原理與誤差特性 9
1.2.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)的算法 9
1.2.2 捷聯(lián)解算中的坐標(biāo)系 11
1.2.3 捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差源和誤差特性 12
1.3 GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原理與研究現(xiàn)狀 15
1.3.1 GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)的互補(bǔ)特性 15
1.3.2 GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行組合的數(shù)學(xué)工具 16
1.3.3 GPS和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 17
第2章 載波相位時(shí)間差分的分析及其在導(dǎo)航中的應(yīng)用研究 20
2.1 載波相位的特點(diǎn)及載波相位時(shí)間差分的概念與分析 20
2.1.1 GPS偽距和載波相位的誤差分析與比較 20
2.1.2 載波相位在導(dǎo)航中應(yīng)用的條件分析 22
2.1.3 載波相位時(shí)間差分的概念與性能分析 23
2.2 載波相位時(shí)間差分的觀測(cè)方程推導(dǎo)與分析 24
2.2.1 載波相位時(shí)間差分的觀測(cè)方程推導(dǎo) 25
2.2.2 周跳對(duì)載波相位時(shí)間差分觀測(cè)量的影響及其處理方法探討 27
2.3 由載波相位時(shí)間差分解算精密速度的試驗(yàn)研究 28
2.3.1 基于載波相位時(shí)間差分的精密速度解算方法 28
2.3.2 由載波相位時(shí)間差分解算的精密速度的誤差分析 30
2.3.3 由載波相位時(shí)間差分解算精密速度的試驗(yàn)研究 32
2.4 載波相位時(shí)間差分和捷聯(lián)慣導(dǎo)的緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)研究 34
2.4.1 載波相位時(shí)間差分和捷聯(lián)慣導(dǎo)緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 35
2.4.2 載波相位時(shí)間差分和捷聯(lián)慣導(dǎo)緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果 36
2.4.3 載波相位時(shí)間差分和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合的優(yōu)勢(shì)及問題分析 38
第3章 基于載波相位時(shí)間差分、偽距和捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合導(dǎo)航新方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 40
3.1 實(shí)現(xiàn)載波相位時(shí)間差分、偽距和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合的數(shù)學(xué)工具探討 40
3.1.1 雙速卡爾曼濾波 42
3.1.2 雙速卡爾曼濾波的優(yōu)點(diǎn) 44
3.2 載波相位時(shí)間差分、偽距和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 44
3.2.1 基于雙速卡爾曼濾波的系統(tǒng)組合方案設(shè)計(jì) 45
3.2.2 系統(tǒng)組合方案設(shè)計(jì)中待解決的問題探討 46
3.3 誤差方程推導(dǎo)的擾動(dòng)分析方法研究 47
3.3.1 坐標(biāo)變換矩陣的擾動(dòng)規(guī)律 47
3.3.2 矢量的擾動(dòng)規(guī)律 49
3.3.3 標(biāo)量的擾動(dòng)規(guī)律 49
3.4 基于慣導(dǎo)誤差方程的雙速卡爾曼濾波系統(tǒng)方程推導(dǎo) 49
3.4.1 慣導(dǎo)誤差方程的概述及討論 50
3.4.2 慣性傳感器的測(cè)量誤差建模 51
3.4.3 重力誤差建模 52
3.4.4 GPS天線相位中心和捷聯(lián)慣導(dǎo)間的桿臂誤差建模 53
3.4.5 雙速卡爾曼濾波系統(tǒng)方程的狀態(tài)空間表達(dá)式 53
3.5 基于載波相位時(shí)間差分的高速卡爾曼濾波測(cè)量方程推導(dǎo) 55
3.5.1 載波相位時(shí)間差分的觀測(cè)方程的矩陣表達(dá)式推導(dǎo) 55
3.5.2 載波相位時(shí)間差分的觀測(cè)方程的擾動(dòng)分析 56
3.5.3 高速卡爾曼濾波測(cè)量方程的狀態(tài)空間表達(dá)式 60
3.6 基于偽距的低速卡爾曼濾波測(cè)量方程推導(dǎo) 60
3.6.1 經(jīng)過誤差補(bǔ)償?shù)膫尉嘤^測(cè)方程 61
3.6.2 偽距觀測(cè)方程的擾動(dòng)分析 61
3.6.3 低速卡爾曼濾波測(cè)量方程的狀態(tài)空間表達(dá)式 63
第4章 GPS輔助的慣性傳感器隨機(jī)誤差的在線補(bǔ)償理論與試驗(yàn)研究 64
4.1 慣性傳感器中隨機(jī)誤差的建模方法研究 64
4.1.1 慣性傳感器中隨機(jī)誤差建模的傳統(tǒng)方法討論 64
4.1.2 慣性傳感器中隨機(jī)誤差的辨識(shí)方法探討 66
4.1.3 慣性傳感器中隨機(jī)誤差建模的新方法 68
4.2 慣性傳感器中有色噪聲的隨機(jī)微分方程描述 70
4.2.1 推導(dǎo)有色噪聲的隨機(jī)微分方程描述的一般步驟 70
4.2.2 零偏不穩(wěn)定性的隨機(jī)微分方程描述推導(dǎo) 72
4.2.3 隨機(jī)游走的隨機(jī)微分方程描述推導(dǎo) 72
4.2.4 斜坡誤差的隨機(jī)微分方程描述推導(dǎo) 73
4.3 慣性傳感器中有色噪聲的等價(jià)建模理論研究 74
4.3.1 隨機(jī)微分方程的等價(jià)性定理及其證明 74
4.3.2 慣性傳感器中多種有色噪聲的等價(jià)模型推導(dǎo) 76
4.4 GPS輔助的慣性傳感器隨機(jī)誤差的在線補(bǔ)償方法研究 78
4.4.1 在組合導(dǎo)航中補(bǔ)償慣性傳感器隨機(jī)誤差的可行性分析 78
4.4.2 慣性傳感器隨機(jī)誤差在線補(bǔ)償?shù)目傮w方案設(shè)計(jì) 80
4.4.3 慣性傳感器中白噪聲的處理方法探討 82
4.4.4 慣性傳感器中量化噪聲的處理方法研究 83
4.4.5 慣性傳感器中有色噪聲的補(bǔ)償方法研究 86
4.5 GPS輔助的慣性傳感器隨機(jī)誤差的在線補(bǔ)償試驗(yàn)研究 89
4.5.1 試驗(yàn)測(cè)試的方法與步驟 89
4.5.2 慣性傳感器隨機(jī)誤差參數(shù)的確定 90
4.5.3 慣性傳感器中隨機(jī)誤差的處理與建模 91
4.5.4 動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果與分析 91
本章附錄 93
附錄一 引理A的證明 93
附錄二 引理B的證明 96
附錄三 等價(jià)性定理的證明 97
第5章 GPS輔助的捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)新方法及試驗(yàn)研究 98
5.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)概述 98
5.1.1 捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的基本特點(diǎn) 98
5.1.2 本章待研究的兩個(gè)問題 99
5.2 捷聯(lián)慣導(dǎo)大航向誤差條件下的動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)方法研究 100
5.2.1 大航向誤差條件下動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的一種經(jīng)典方法分析 100
5.2.2 大航向誤差條件下一種新的動(dòng)基座粗對(duì)準(zhǔn)方法研究 102
5.2.3 動(dòng)基座精對(duì)準(zhǔn)方法研究 107
5.2.4 動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的卡爾曼濾波校正方法探討 108
5.2.5 大航向誤差條件下動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)的試驗(yàn)結(jié)果 109
5.3 載波相位時(shí)間差分輔助的捷聯(lián)慣導(dǎo)動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)方法研究 111
5.3.1 載波相位時(shí)間差分輔助的動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)方案設(shè)計(jì) 111
5.3.2 載波相位時(shí)間差分輔助的動(dòng)基座初始對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果 114
本章附錄 116
第6章 車載導(dǎo)航試驗(yàn)及分析 119
6.1 車載導(dǎo)航試驗(yàn)的設(shè)備、目標(biāo)與方案 119
6.1.1 車載導(dǎo)航試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備 119
6.1.2 車載導(dǎo)航試驗(yàn)的目標(biāo)與方案 120
6.2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航性能評(píng)估方法 123
6.2.1 評(píng)估車載導(dǎo)航系統(tǒng)性能的導(dǎo)航參考量 123
6.2.2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的滑行能力評(píng)估 123
6.2.3 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度評(píng)估 124
6.3 導(dǎo)航參考量缺失情況下的導(dǎo)航誤差擬合 124
6.3.1 導(dǎo)航誤差擬合的方法 125
6.3.2 導(dǎo)航誤差擬合精度的試驗(yàn)驗(yàn)證 126
6.4 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的滑行能力分析與比較 128
6.4.1 車載導(dǎo)航系統(tǒng)滑行能力的半仿真試驗(yàn)分析 128
6.4.2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)滑行能力的現(xiàn)場試驗(yàn)分析 131
6.4.3 試驗(yàn)結(jié)論及分析 135
6.5 車載導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度與誤差分析 136
6.5.1 車載導(dǎo)航試驗(yàn)的靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 136
6.5.2 良性GPS觀測(cè)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 142
6.5.3 惡劣GPS觀測(cè)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果 148
6.5.4 試驗(yàn)結(jié)論及分析 154
參考文獻(xiàn) 156
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