GNSS

论文总字数：31069字

摘 要

在GNSS/INS组合导航系统中，需要GNSS提供位置、速度等导航信息用于辅助INS减小误差积累。但是在城市或隧道等环境中，GNSS可能会失去信号或者受到干扰，如多路径效应等，产生与真实值差距较大的异常值，对组合系统性能产生极大的影响。需要结合GNSS/INS结构原理，探索GNSS异常值特征，提出GNSS异常值处理方法，并验证。

本文对捷联惯性导航系统和组合导航系统进行了深入的理论分析。分析捷联惯性导航的解算原理，建立GNSS/INS组合导航误差模型。在此基础上，建立组合导航系统的观测方程和状态方程，并对其进行离散化。设计卡尔曼滤波器，并将其滤波方程与组合导航模型相结合，对异常值在其中的特征及作用机理进行分析，确定了通过对滤波过程中的新息向量进行Χ²检验来检测异常值的方法，并对检测出的异常值构建膨胀因子来减小滤波增益，达到抑制异常值影响的效果。

根据模拟的真实轨迹数据、误差模型、INS和GNSS的模拟数据，对INS、组合导航系统的特征进行了仿真。此基础上，将不同环境下的异常值引入到GNSS的模拟输出数据中，实验对比使用异常值处理方法前后的效果。结果表明：所提出的异常值处理方法不会对正常值造成影响，且无论是某一时刻单独的异常值还是一段持续时间的异常值均可检测出来，并对其有较好的抑制效果，提高了组合导航系统的抗差性能。

关键词： GNSS/INS组合导航，异常值处理，新息向量，检验，膨胀因子

Method of Processing the Observation Outliers of GNSS/INS Integrated Navigation System

Abstract

In GNSS/INS integrated navigation system, the position, speed and other navigation information provided by GNSS are needed to assist INS. But in some environment such as the city or tunnel, GNSS may lose its signal or be interfered, such as multi-path effects, etc. This will result in some outliers with a large gap compared to the true value which have an impact on the result of the whole system. Studying the characteristics of outliers and putting forward a method to deal with them are needed.

In order to obtain a better method to process the outliers of GNSS, INS and integrated navigation system are conducted in-depth theoretical analysis. The operator principle of INS is analyzed and the error model of the GNSS/INS integrated system is established. On this basis, the observation and state equations of integrated navigation system are established and discrete them. Design Kalman filter and combine the filtering equations with the navigation model. The characteristics and mechanism of the outliers is analyzed. Determine the process by filtering the innovation vector -test method to detect outliers, and construct an inflation factor to decrease the filter gain to inhibit the effect of the outliers.

According to the simulant track data, data-error model, inertial navigation system and the simulant data of GNSS, the feature of INS and integrated navigation system is simulated. Based on this, the outliers in different environments is introduced into the output of GNSS data. Compare the output before and after using the outliers process method. We can know from result that the method of processing the outliers will not affect the normal errors. And an individual outlier at a moment or sustained outliers in some time can be detected. Also it has a good inhibition effect and improves the robust performance of the integrated navigation system.

Keywords: GNSS/INS integrated navigation, outliers processing, innovation vector, -test, inflation factor

目 录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪 论 5

1.1 导航系统简介 5

1.2 课题背景和意义 5

1.3 国内外发展状况 6

1.3.1 GNSS/INS组合导航系统发展概况 6

1.3.2 滤波理论发展概况 7

1.4 本文研究的主要工作及内容安排 8

第二章 导航系统模型 10

2.1 引言 10

2.2 GNSS导航 10

2.2.1 GNSS导航定位原理 10

2.2.2 GNSS主要误差 11

2.2.3 GNSS误差模型 11

2.3 惯性导航系统 11

2.3.1 惯性导航系统常用参考坐标系 11

2.3.2 惯性导航系统的基本原理 12

2.3.3 惯性导航的解算方法 13

2.3.4 惯性导航系统的误差模型 16

2.4 GNSS/INS组合导航系统 18

2.4.1 GNSS/INS组合导航原理 18

2.4.2 状态方程和观测方程 18

2.5 本章小结 20

第三章 卡尔曼滤波及其应用 22

3.1 引言 22

3.2 离散标准卡尔曼滤波算法 22

3.2.1 卡尔曼滤波方程组 22

3.2.2 卡尔曼滤波方程组的解算 23

3.3 卡尔曼滤波在组合导航系统中的应用 25

3.3.1 组合导航模型离散化 25

3.3.2 卡尔曼滤波的局限性分析 25

3.4 本章小结 25

第四章 基于新息检测的异常值处理算法 26

4.1 引言 26

4.2 组合导航系统中的异常值主要来源 26

4.3 新息向量异常值检测算法 26

4.4 异常观测值的抑制 27

4.5 本章小结 28

第五章 仿真与验证 29

5.1 引言 29

5.2 轨迹生成 29

5.2.1 运动状态设定 29

5.2.2 微分方程组 29

5.2.3 轨迹仿真参数及结果 31

5.3 INS仿真 32

5.4 位置速度组合松导航组合系统仿真 33

5.5 异常值处理对比仿真 35

5.6 结果分析 40

5.7 本章小结 40

第六章 总结 42

6.1 论文的主要工作及结论 42

6.2 存在的问题 43

致谢 44

参考文献 45

1. 绪 论
   1. 导航系统简介

从古代开始，导航这一概念就已存在，其方式可分为以下三类：一是最简单的通过语言进行指引，这种方式要求对周围环境的特征较熟悉，且需要对周围建筑标志物或方向感很清晰，亦即按照地图来导航；二是依靠某些物体来进行导航，如可通过观察相对北斗星等星体的位置，来确定自己的方位和朝向；三是对当前位置进行推算，如从出发点开始进行时间和速度的累积将位置推算出来。

发展至今，导航已经成为一门复杂深奥的科学。它的基本任务是为航行体（船舶、飞机、陆地车辆等）提供实时的位置信息，可以将其视为一种广义的动态定位。目前常用的导航方法有以下几种：

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