GPS信号自适应抗干扰系统

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GPS信号自适应抗干扰系统①
杨富玉 南敬昌(辽宁工程技术大学电子与信息工程学院辽宁葫芦岛1 251O5)
摘要： 针对GPS卫星信号易受干扰，不稳定的问题，提出INSIGPS组合导航抗干扰的方法并用硬件电路进
行实现验证。给出了惯性器件的误差模型，采用松散组合方式，设计卡尔曼滤渡器，取姿态、速度、
位置的误差作为状态变量。提出以INS与GPS输出的东北天向速度误差作为滤波器观测量的方案。通
过计算机的仿真和实验验证，对系统的精度进行了分析，证明该方案是可行的，实现实时滤波计算，
并能满足导航的精度要求。
关键词： 抗干扰组合导航卡尔曼滤波
Adaptive Anti．Interferenee 0f GPS
YANG Fu-Yu，NAN Jing-Chang
(School of Electronic and Information Engineering，Liaoning Technical University,Huludao 1 25 1 05，China)
Abstract： In order to resolve the problems of easily interfered and unstable GPS signal，this paper puts forward the
INS／GPS integrated navigation method and uses hardware circuit to verify the method．With given INS error
model，it design s Kalman filter based on INS／GPS integrated navigation system，which takes posture，speed
an d position error as state variables．The paper takes east，north an d vertical direction velocity error of INS
an d GPS outputs as the combination filter observation scheme．It uses simulation an d expe riments to
an alyze system precision an d prove that this scheme is feasible．Then it Can also realize the real-time
filtering calculation，an d meet the demand ofnavigation accuracy．
Keywords：anti-interference；INS；GPS；integrated navigation；kalman filter
1 引言
全球定位系统(GPS)以其全球性、全天候、低成本、
高精度且误差随时问不积累等优点成为目前应用最广
泛的一种导航系统，但是GPS存在信号容易受干扰、动
态性能差、输出频率低等不足。惯性导航系统0NS)作
为一种完全自主、不与外界发生光电联系的导航系统，
具有良好的隐蔽性、强抗干扰性、高机动和完整的导航
信息等优点。INS的主要缺点是误差随时间积累增长和
每次使用前需要进行初始对准。对比分析GPS和INS
各自的优缺点，可知二者具有天然的、完美的互补性质，
这使INS／GPS组合导航成为导航领域的一大热点。
① 收稿时f~：20,09—04—23
INSIGPS组合导航系统是以惯性导航系统为基
础，并且惯性导航系统辅助GPS系统为目的的组合导
航系统。用GPs接收机的高精度定位信息通过组合卡
尔曼滤波器来标定和补偿惯性导航系统的积累误差，
提高导航精度。同时，利用惯性导航系统的速度和加
速度信息对GPS接收机进行速度辅助，以提高GPS
接收机的抗干扰能力和动态性能。其性能、成本和体
积均能满足各种运载器的导航精度要求。利用两种系
统的冗余信息可以获得精度较高，同时鲁棒性好的组
合导航系统【1·2】。
常见的INS和GPS组合分为松散组合和紧密组
Research Development研究开发55
计算机系统应用 201 0年第19卷第1期
合，松散组合比紧密组合精度低，但是较紧密组合易
于实验验证和工程实现。本文给出了基于tNS／GPS组
合导航惯性器件的误差建模，设计以位置和速度为观
测量的kalman滤波器，同时采用了松散组合方式的
硬件电路进行实现验证。
2 组合导航的误差模型分析
2．1 GPs误差模型
影响GPS定位精度的主要误差按其性质可分为系
统误差和随机误差。对多个GPS接收机而言，许多相
同或相关的系统误差已经被消除或减弱，如卫星钟差、
电离层和对流层延迟、接收机钟差等。因此可以将GPS
输出的速度、姿态和位置误差分量都模型化为独立的
随机过程：随机常数、随机马尔柯夫过程和白噪声。
一般来说，它们分别代表了安装误差、接收机噪声和
多路径效应误差。
2．2惯性导航系统误差模型
惯性系统误差包括安装误差和微惯性器件误差，
安装误差可以通过标准规定采用硬件误差补偿来消
除；微惯性器件的误差包括漂移误差、刻度因子误差
和其他误差，其中以漂移误差为主，漂移误差又包括
常值误差漂移和随机漂移【2】。
惯性导航系统中，由于惯性测量元件(陀螺仪和
加速度计)是直接安装在载体上的，所以e和 也是
在INS载体坐标系下得到的物理量，而模型中的8和
是基于INS导航坐标系的物理量，应将其转换到INS
导航坐标系下。故有： ￡n= Cnb．￡b其中b是INS
载体坐标系的标识，n是INS导航坐标系的标识。根
据大量统计规律，一般可以认为陀螺漂移误差主要由
三部分组成：
∈b=∞g+Ec+Er (1)
假定三个轴向的陀螺误差数学模型均相同，均为：8 =0，
，
= 一÷ +国， 。其中∞g为随机白噪声漂移；8 c为
1
随枷常值漂移；￡ 为随 几马尔桐夫 箍 ： 为相关时
间：‘1) 为白噪声。
同理，加速度{十的误差模型和陀螺仪误差模型相似，
但由于加速度计的随机常数和白噪声较小，通常只考
虑其一阶马尔可夫过程为：
56 研究开发Research Development
V。一 V
。
+
Ta为相关时间；∞ 为白嗓声。
(2)
3 卡尔曼滤波器模型的建立
导航坐标系选取当地水平系为“东北天”，将惯性器
件的各种误差看作系统导航参数误差，其误差状态方
程【3一s】为：
X(t)： ，)· (r)+G(，)．W(t) (3)
式中：X1(t)=【8 ，8 ，8 ， ， ， ，8
L， 8 ， 8 H ， 8 bx， 8 by， s bz， 8 rx， ￡ry， 8
， ， v ， 】T；8 8 ，6 是速度误差沿
东北天方向的投影： ， ， 是平台误差角沿东、
北、天3个轴的投影；8 L，8 ，8 H是纬度误差，
经度误差，高度误差；e ，￡ ，￡ 是陀螺仪沿东、
北、天三个方向的漂移误差i ， ， 是加速度计
沿北东地方向的零偏。W(t)=【CO gx ‘I)gy ∞gz ‘IJ
Cat)ay OJ az ‘I)rx ∞ry ‘1)rzIT，W(t)为系统得激励噪
声，G(t)为系统的噪声阵。状态转移矩阵：
F(f)=
03 3 03 3
09 3 09 3 09 3
03 3 13 3 03 3
03 3 03 3 ，3 3
(4)
假设W(t)是均值为O，方差为Q的高斯白噪声。
量测方程：
Z=HX+V (5)
用INS的加速度计的水平输出误差作为测量值。所
谓水平速度观测值就是把惯性导航系统输出的水平速度
和GPS提供的速度的差值作为观测量。假设惯性导航系
统的水平速度，则天向速度为v产0；1，i 一 re：8¨ei，
v jn—v m= 8巾：GPS输出的速度：1，e—v re： 8 ；
1， 一v ： 8 。其中，vie和1，i 是惯性导航系统输
出的东向和北向速度；1， 和v 为真实的速度；8 i
和8“n是系统沿坐标系东向和北向的速度误差；v e和
1， 是GPS提供的东向和北向的速度；8 和6 n为GPS
沿东向和北向的速度误差。则：
Z=[Li-L口Xi-Xg h广hg Vin—Vgn Vie—Vge】T
： H(t)×1(t)+V(t) 。 (6)
H (t)=【O3 3 diag[1 1 1】03×1 2】 (7)
HD(t)： 【03 6 diag[1 1 1】O3×1 2] (8)
201 0年第1 9卷第1期 计算机系统应用
H(t)=【Hp(t) Hv(t)]T (9)
其中，下标i和g代表lNS和GPS：V(t)是速度量测
噪声，假设其均值为0，方差为R的高斯白噪声，且
与W(t)无关。完成Kalman滤波器的设计。
4 系统构成
系统的构成包括硬件构成和软件构成，INS／GPS
组合导航的硬件构成如图1所示：
圈 匝
图1 INS／GPS组合导航系统硬件结构
INS／GPS主要由四部分构成：惯性(1MU)测量模
块，由三个陀螺仪、一个三轴的加速度计和模数转换
电路构成；GPS接收机模块，由前置放大、信号变频、
中频解调组成：中央控制模块，采用FPGA+AVR单
片机+SRAM 组合模式；传输模块，通过RS一232串
口连接外扩设备。
系统的软件构成主要有：IMU导航结算程序，由lMU
惯性导航器件中加速度计和陀螺仪测量的比力和角速度
信息来结算位置、速度和姿态；GPS信号处理，即接收
GPS信号，并对其进行降噪和变频处理：Kalman滤波
程序，对IMU和GPS的位置和速度进行滤波。
5 仿真分析
仿真过程中，IMU／GPS组合导航系统在仿真时间
为1 2000s，陀螺随机常值漂移为0．04~／h，加速度
计的漂移误差为±0．001 g，速度误差为0．5m／s。初
始姿态角误差为3o，经度为 =1 20~38 ，纬度
为L=40。56 。GPS东北天向测量均方误差均为
30m。INS／GPS组合导航经过kalman滤波的条件下
得到输出校正仿真结果如图2所示。
其位置误差统计结果：东向位置均方差6。80m：
北向位置误差均方差6．75m ：天向位置均方差
6．95m ；速度误差统计结果： 东向速度均方差
0．3 1 m／s：北向速度误差均方差0．39m／s：天向速
度均方差0．20m／s。
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图2 IMU／GPS组合导航滤波后的位置、速度误差
6 结论
根据上述的仿真结果，得到如下结论：通过分析，
在存在干扰的情况下，INS和GPs能够取长补短，做到
可靠性高，精度高；若在GPS受到干扰，信号失准的
情况下，依然能够满足导航的要求；组合导航的精度与
各子系统的精度有关；本文研究的组合导航算法，在
FPGA+AVR为控制中心的硬件电路验证中可达到预期
的效果，是一种低成本的、行之有效的抗干扰方案。
参考，-J伏
l秦永元，汪淑华．卡尔曼滤波与组合导航原理．西安：西
北工业大学出版社，2004．4—9．
2胡小平．自主导航理论与应用．长沙：国防科技大学出
版社．2002．18—34．
3许国珍，吴美平．低成本MIMU／GPS组合导航的研究．
计算机仿真，2008，28(1 0)：69—72．
4 Wendel J，M eister O，Schaile C，Trommer C．An integ—
rated GPS MS．IMU navigation system． Aero．
space Science and Technology,May,2006．
5 Lim YC．Lyou J．An error compensation method for
Transfer Alignment．Proc．of the IEEE Conference on
Electrical and Electronic Technology．TENCON，200 1，
2：850—855．
Research Development研究开发57】
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2014-9-30 07:07 上传

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