文献综述(或调研报告):
惯性导航系统(INS)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,其工作环境不仅包括空中、地面,还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。它利用陀螺仪和加速度计等惯性测量器件以及初始的导航信息来确定载体运行期间的各项导航参数。由于惯性导航系统具有自主性、实时性、全天候以及全球导航等突出优点,在军事和民用领域内获得了非常广泛的应用。
惯性导航系统属于推算导航方式,即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度中推算出其下一点的基本位置,因而便可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系XYZ,使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中,并给出航向和姿态角;加速度计用来测量运动体的加速度,经过对时间的一次积分得到速度,速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。因为我们都知道惯性导航系统内部有许多的误差源,比如陀螺漂移、加速度计的零偏、非正交度、刻度因子以及初始对准误差等。所以受这些误差源的影响,系统的惯性平台倾角和速度误差及位置误差都会呈现周期性的振荡过程。尤其位置误差还将随时间的增长而发散。
惯性导航系统由于工作在无阻尼状态,各项的误差会随时间的流逝而不停增长,在某些工程应用中,可以采用惯性导航系统和 GPS定位系统、GLONASS 或北斗导航系统组合的组合导航方式来克服这一缺点。在陆用、深海探测、矿井勘探等无辅助导航手段的条件下,要使惯性导航系统在很长的一段时间内保持比较高的定位精度,就完全可以采用零速修正技术。
零速校正(ZUPT)作为一种误差补偿技术,可以有效控制惯性导航系统长时间工作的误差积累,提高系统精度[1]。所谓零速校正,即以载体停止时的速度误差作为观测量,来对载体其它信息进行修正。零速校正的方法有多种,如二次曲线拟合法、实时卡尔曼滤波法、平滑估计法等[2]。二次曲线拟合方法简单,但精度较差。实时卡尔曼滤波法应用于 ZUPT 时,状态量较多,存在计算精度下降,滤波估计值易发散,方位误差角在修正期间难以估计等问题。
二次曲线拟合法采用二次多项式样条函数或付里叶级数拟合出一条平滑的速度误差曲线,再经过积分就得到位置误差校正值。最后与位置输出值求和后可求出“真实”的座标位置;状态方程解得曲线拟合是不考虑驱动噪声的影响,认为初始状态是造成误差的主要原因。根据零速修正速度量测,求出初始状态X,再利用状态转移阵,直接求出以后各点的状态解;平滑估计法是利用当前计算点后的n次速度观测值来构成观测向量,再根据卡尔曼滤波的预报修正结构,获得当前状态估计值。
惯性导航技术在不动产实地测量技术中已经有着广泛的应用,例如东南大学何翌硕士针对现有的地籍测量方法中GPS信号受环境影响导致定位精度变差的问题,将捷联惯性定位技术引入地籍测量过程中,设计并实现了用于辅助GPS准确定位的光纤捷联系统[3];导航机构年会中介绍了机载合成孔径雷达(SAR)在航空摄影测量方面的使用性能,利用卡尔曼滤波器对采集到的SAR数据、GPS/INS数据还有差分GPS数据进行事后融合处理[4];以色列技术杂志研究了在大地测量中,通过零速修正技术,合理选择滤波方法,使INS实现高精度测量[5];清华大学方靖利用车体坐标系横向和垂直方向上速度为零,作为约束条件,构造虚拟噪声观测量;设计了U-D协方差分解与序贯处理的Kalman滤波方法,进行实时轨迹修正[6];西北工业大学赵玉等人针对车载惯性导航系统由于无外部信息长时间运动导致的误差积累问题提出一种运用动态零速技术来提高导航精度的方法[7]。
虽然已经有相关文献研究采用GPS和INS组合模式应用于地籍测量,但是并没有人进行其具体技术的事后处理定位精度方面的研究,所以可以说本课题的研究在国内还是无人涉及的,有较大的研究价值。
参考文献:
[1]奔粤阳,孙枫,高伟等.惯导系统的零速校正技术研究[J].系统仿真学报,2008,20(17):4639-4642.
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