卡尔曼滤波与组合导航课程报告.docx

PAGE PAGE 10 《卡尔曼滤波与组合导航》课程实验报告 实验 捷联惯导/GPS 组合导航系统静态导航实验 实验序号 3 姓 名 陈星宇 系院专业 17 班 级 ZY11172 学 号 ZY1117212 日期 2012-5-15 指导教师 宫晓琳 成 绩 一、实验目的 ①掌握捷联惯导/GPS 组合导航系统的构成和基本工作原理； ②掌握采用卡尔曼滤波方法进行捷联惯导/GPS 组合的基本原理； ③掌握捷联惯导/GPS 组合导航系统静态性能； ④了解捷联惯导/GPS 组合导航静态时的系统状态可观测性； 二、实验原理 系统方程 X ? FX ? GW ?X ? ?? ? ? ? E N U ? v ? v E N ? v ? L ?? ? h ? ? ? U x y z ? ? ? x y z ??T 其中，? 、? 、? E N U 为数学平台失准角；? v E 、? v N 、? v U 分别为载体的东向、北向和天向速度误差； ? L 、?? 、? h 分别为纬度误差、经度误差和高度误差；? 、? 、? 、? 、? 、? 分别为陀螺随 x y z x y z 机常值漂移和加速度计随机常值零偏。（下标E、N、U 分别代表东、北、天） 系统的噪声转移矩阵G 为： ? Cn 0 ? ? b 3?3 ? G ? ?0 ??0  3?3 Cn ? b0 ?? b 9?3 9?3 15?6 系统噪声矢量由陀螺仪和加速度计的随机误差组成，表达式为： w ? ??w? w? w? x y z w w w ? ? ? x y z ??T 系统的状态转移矩阵F 组成内容为：  ? C n 0 ? ? F F ? ? b 3?3 ? F ? ?0 N FS ? ，其中 F 中非零元素为可由惯导误差模型获得。F ? ?0 C n ? 。 ? ? N S ?03?3 0 b ? 6?9 M ? ? 量测方程 3?3 3?3 9?6 量测变量 z ? ??V ? ?V ? ?V ? ? L? ??? ? H ??T ，，?V ?、?V ? 、?V ? 、? L? 、?? ? E N U E N U 和? H ? 分别为捷联解算与 GPS 的东向速度、北向速度、天向速度、纬度、经度和高度之 差；量测矩阵 H ? ?H V H ?T ， H P P ? ? 0  3?6 diag ?R M H , (R N H )cos L, ?? 0 ? ， 3?6 H ? ? 0 V  3?3 diag ?1, 1, 1? 0 3?9 ? ，v ? ?v E?V ? E  v N?V ? N  v v U??V ? ? L U ?  v v ??? ? H ? ?T 为量测噪声。量测噪声方 ?差阵 R 根据 GPS 的位置、速度噪声水平选取。 ? 卡尔曼滤波方程 状态一步预测： X? ? ? X? k / k ?1 k ,k ?1 k ?1 状态估计： X? k ? X? ? K (Z ? H X? ) k / k ?1 k k k k / k ?1 滤波增益： K k ? P k / k ?1 H T (H k k P H T k / k ?1 k ? R )?1 k 一步预测均方误差： P ? ? P ?T ? Q k / k ?1 k ,k ?1 k ?1 k ,k ?1 k ?1 三、实验内容及步骤 估计均方误差： P k ? (I ? K H k k )P k / k ?1 1、实验内容 ① 捷联惯导/GPS 组合导航系统静态导航实验； 2、实验步骤 实验准备（由实验教师操作） ① 将 IMU 安装在大理石实验台上，确认 IMU 的安装基准面靠在大理石实验平台上的方位基准尺上； ② 将 IMU 与导航计算机、导航计算机与稳压电源、导航计算机与监控计算机、GPS 接收机与导航计算机、GPS 天线与 GPS 接收机、GPS 接收机与 GPS 电池之间的连接线正确连接； ③ 打开 GPS 信号转发器； ④ 打开监控计算机中的监控软件； ⑤ 打开稳压电源开关，确认稳压电源输出为 28V； ⑥ 打开捷联惯导/GPS 组合实验系统电源，实验系统开始启动，注意 30s 内严禁动 IMU； ⑦ 打开 GPS 接收机电源，确认通过信号转发器可以接收到 4 颗以上卫星； ⑧ 将监控软件设置为“准备”状态，准备时间 5 分钟； ⑨ 准备过程中由实验教师介绍捷联惯导/GPS 组合实验系统的组成、工作原理； 捷联惯导/GPS 组合导航系统静态导航实验 ① 实验系统准备 5 分钟之后，通过监控软件，将实验系统设置为“组合导航”状态； ② 记录 IMU 的原始输