（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）gps磁阻传感器组合导航系统研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着电子技术的发展使得g p s 接收机的价格大幅下降，同时美国关闭s a 停止对民用精度的限制使得g p s 民用定位精度有了很大提高，这大大促进了g p s 在民用领域的发展。在各个导航领域，g p s 系统都在展示它的优越导航性能。然而， g p s 的工作严重受到一些城市里的特定环境影响，甚至无法完成定位。因此，本文 着重研究廉价的g p s 磁阻传感器组合导航系统。本论文主要完成工作是g p s 磁阻 传感器组合导航系统研究与设计。论文首先介绍了几种独立导航系统，然后分析、 论述了几种独立导航系统的组合的优缺点，在综合前人论述的各种方案后，最后 选择g p s 磁阻传感器组合导航系统作为低成本组合导航系统设计的初步实验。随 后介绍信息融合技术理论和方法，在多种信息融合技术中选择实时性强、计算量 小的k a l m a n 滤波负责组合导航系统的信息融合。 对g p s 磁阻传感器组合导航系统的整体介绍后，分别从硬件和软件两方面详 细介绍g p s 磁阻传感器组合导航系统的硬件和软件组成部分，同时详细讨论各组 成部分的设计思路、功能及影响。最后，比较、分析实验结果，总结c p s 磁阻传 感器组合导航系统优劣得失，提出对此组合导航系统的修改方案。 本论文独特之处在于使用单片机完成所有的信息采集和滤波算法，以及使用c 语言编译k a l m a n 滤波算法程序。由论文最后的实验结果比较、分析，说明使用低 成本的单片机同样能完成组合导航系统设计，且也能提高导航系统定位精度。 关键诃：g p s 、磁阻传感器、卡尔曼滤波 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p e m e n to ft h ee l e c t r o n i c st e c h n i q u e 。t h ep r i c eo f g p sr e c e i v e rh a v eb e e ng r e a t l yf a l l i n g 。a n da sar e s u l to ft h eu n i t e ds t a t e sc l o s i n gs a t os t o pl i m i t i n gt h ep u b l i cp o s i t i o na c c u r a c yo fg p s ，t h eg p sp o s i t i o n i n ga c c u r a c yh a v e i m p r o v e dg r e a t l yi np u b l i cf i e l d a l lt h i sc o n s u m e d l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fg p s i n p u b l i cf i e l d , i n e a c hn a v i g a t i o nf i e l d g p ss h o w si t s s u p e r i o r l yn a v i g a t i o n p e r f o r m a n c e h o w e v e r ，t h eg p sw o r kw o u l ds u f f e rs e r i o u s l yt h ei n f l u e n c eo ft h e p a r t i c u l a re n v i r o m n n e ti nt h ed o w n t o w n a n dc a n ts om u c h a sc o m p l e t et h ep o s i t i o n i n g 。 s ot h i sp a p e rs t u d ym a i n l yt h el o wc o s td e s i g no fg p s m a g n e t i cr e s i s t a n c es e n s o r s i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t et h ed e s i g no fg p s m a g n e t i c r e s i s t a n c es e n s o r si n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m t h ef a s tt h i sp a p e ri n t r o d u c eaf e w i n d i v i d u a ln a v i g a t i o ns y s t e m s ，t h e ni ta n a l y s et h e i re x c e l l e n c ea n dd i s a d v a n t a g e a f t e r s t u d yp r e d e c e s s o r sp r o d u c t i o n , i tu s e dg p s m a g n e t i c r e s i s t a n c es e n s o r si n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e ma st h ef i r s te x p e r i m e n t i o no fl o wc o s ti n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m s u b s e q u e n t l y t h ep a p e ri n t r o d u c et h et h e o r ya n dm e t h o do fi n f o r m a t i o nf u s i o n t e c h n o l o g y , t h ep a p e ru s e dk a l m a nf i l t e r i n gf u s e t h ei n f o r m a t i o no fi n t e g r a t e d n a v i g a t i o ns y s t e m ，b e c a u s ek a l m a nf i l t e r i n gh a st h e e x c e l l e n c eo fh i g he f f i c i e n c ya n d r e a l t i m e a f t e rt h ep a p e ri n t r o d u c eg p s m a g n e t i cr e s i s t a n c es e n s o r si n t e g r a t e dn a v i g a t i o n s y s t e m ，i td e t a i l e d t ye x p l a i ng p s m a g n e t i cr e s i s t a n c es e r s o r si n t e g r a t e dn a v i g a t i o n s y s t e mr e s p e c t i v e l yf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a tt h es a m et i m et h ep a p e rd e t a i l e d l y d i s c u s se a c hp a r t ，i n c l u d ed e s i g ni d e a 、f u n c t i o na n de f f e c t i nt h ee n db ya n a l y s et h e r e s u l to f e x p e r i m e n t ，t h ep a p e re d u c et h ec o n c l u s i o no f g p s m a g n e t i cr e s i s t a n c es e r s o r s i n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e m t h eu n i q u e n e s so ft h i sp a p e ri su s e ds i n g l e c h i pc o m p l e t ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n a n dk a l m a nf i l t e r i n gc o m p u t a t i o n ，a n o t h e ru n i q u e n e s so ft h i sp a p e ri su s e dcl a n g u a g e c o m p i l ek a l m a nf i l t e r i n gp r o g r a m ，f r o mt h e r e s u l ta tt h ee n do f t h i sp a p e r , u s e dl o wc o s t s i n g l e c h i pc a nc o m p l e t ei n t e g r a t e dn a v i g a t i o ns y s t e md e s i g n , a n di ta l s oc a ni m p r o v e t h en a v i g a t i o ns y s t e mp o s i t i o n i n ga c c u r a c y k e y w o r d s ：g p sm a g n e t i cr e s i s t a n c es e n s o r s k a l m a nf i l t e r i n g l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：物让日期：2 0 0 5 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 杨移 口亍裒f 砖 日期：2 0 0 5 年6 ，月尹日 日期：2 0 0 5 年j 月9 日 第一章绪论 第一章绪论弟一旱瑁t 匕 1 1 组合导航系统的研究背景及意义 全球定位系统( g p s ) 是美国继登月后的又一重大科技成果，由于其定位技术具 有精度高、速度快、成本低的特点，因而已成为目前世界上应用范围最广泛、实 用性最强的全球精密授时、测距、导航定位系统。g p s 技术能在全球范围内，为陆、 海、空用户实时地提供高精度的定位和导航信息，对于从个人背负式和娱乐船只 至汽车导航、紧急救援以及与陆、海、空交通管理有关的各种各样的民用、商用、 军用系统来说，g p s 以其自身的优势起着越来越重要的作用。此外，在现代化的城 市交通管理中，基于g p s 的车辆定位导航系统还会带来重大的经济、社会效益。 虽然导航定位系统经历很长的时间发展，在航空、航海、航天以及车辆导航 定位方面取得了很大的进步，但是随着科学技术的发展，其在军事、民用方面的 使用范围和使用要求被大大的地拓宽和提高，尤其在军队的陆用导航定位系统和 民用测量、监控方面对定位、定向功能要求的大幅提高，使我国对发展各种精度 的导航定位定向系统变得十分迫切。 在军用方面，随着新时期军事战略方针的转变及高新技术武器装备的发展， 陆用导航定位定向系统已经成为我军现代化建设中不可缺少的一种重要军事技术 装备；在民用方面，国外的导航定位定向系统在大地测量、定向钻井、隧道掘进、 地下油气管道监测、矿井监测、激光断面监测等方面长荣是到广泛地应用，并取 得巨大的经济效益。而我国仅在某些方面得到应用，份额很少，或精度不够，或 成本太高，没有形成一定的“气候”。 所以，当前进一步发展我国的导航定位定向系统，形成高、中、低不同精度 以满足各种需求，这对加快我国的现代化建设，推动定位定向技术在民用领域的 广泛应用具有重要的意义。 1 2 组合导航系统的国内外现状 从2 0 世纪七十年代开始，惯性技术在陆用领域的研究全面展开，在过去的三 十多年内，导航定位定向系统在陆用领域取得可观的进展，特别在军事方面，其 应用范围已扩展到陆用武器系统的各个领域。在以信息战为核心的2 l 世纪的军事 华瘫理工太学颞士学经论文 技术革命中，导航定位定向系统作为提供武器平台运动信息的信息源，更是未来 信息化战争中区域综合电子信息系统的重襄组成部分。了解国外导航定位定向系 统熬发展经历亵歉惩魂态，缝合我蓬数瑰竣帮霉求，方戆受好款发鼹逶合我重嚣 情的导航定位定向系统。 国外把陆用导航定位定向系统分为四大类。 第一类是最璃水平的导航定位定向系统，主要用予大地测量，建立精确的三 维德篱! 坐标，势掇供非常准确瓣方位信惠。獒典型的耩菠指标是靛行7 。5 k m ；拳乎 位鼹精度3 m ( c e p ) ，垂直位鬣精度1 5 m ( c e p ) ，方位精度0 3 m i l ( r m s ) 。国外该 类系统在9 0 年代以前主要以平台式为主，如英国马可豫航空电子设备有限公司 1 9 8 4 年磅嗣夔液浮陀螺平台式麓缝测量致、荚国霍愿藏零公司1 9 7 8 年爱产豹动力 谐调陀螺平台式系统u l i s s 3 0 锌。目前激光器捷联系统每d g p s 组合聪开始进入大 地测量领域，如燕国的h - 7 2 6 m a p s 系统等。我国目前受器件性能的限制，该类系 统仪羧于渡浮陀螺乎台式系统。 第二类是精溲较离、小越、轻便、廉债的导航定位定向系统，主要爝于自行 榴弹炮、多管火箭炮、导弹发射率、侦察车、指挥率等。其典型的性能指标为： 水平慰餐穗度0 。2 5 鳜孝亍路程( c e p ) ，骥囊位置精度0 1 绣季亍路稔( r m s ) ，方位 精度l m i l ( r m s ) ，姿态精度0 5 m i l ( r m s ) 。瀚外该类系统以挠性陀螺仪敢轴平台 式系统为主，翻美丽纂尔福特公司黥l n s 、a n s 2 0 0 0 系统，德嚣 毒登溪公司瓣g p a 2 0 0 0 系统、法国通用机械电气公铡的c i t a 2 0 系统等。我国该类系统主飘以液浮陀螺仪 鞠硗羧陀螺纹平台式系统凳燕。 第三类导簸定披定恕系绫的癍雳对象是翻行火炮、主战坦克、装甲落兵车等， 其特点是精度要求低，成本低。典型的精度指标为：水平位置精度1 所行路糕 ( c e p ) ，垂壹挝漫精度0 。3 蹶行路程( 蹦s ) ，方位精度3 m i l ( p & i s ) ，姿态糖度l m i ( r 骼) 。国外成熟产品主爱是挠性陀螺仪、激光陀螺仪捷联式系统，如羡国利顿 黧内公嗣的l i n - 8 0 、l i n 8 3 骁陡陀蜾仅捷联式系统。毽内主要采孺挠陡陀螺纹平 台式和挠性陀螺仪捷联式方案。 繁西类导靛定位定自系绫怒浚份橇便宜、低往魏譬靛癸求羹黪煮靛系统。疲 翅子运兵车、攀耀蠢普、轻型车辆等。典型的精度指掭为：水平佼攫精度5 所行 路程( c e p ) ，方位精度1 。( p d a s ) 。该巍系统一般由磁罗缀、航向陀螺仪和里程计 缀斌。逞终该系统瓣组成方案较多，妇磁罗经+ 里程计，激光陀螺仪+ 墨程计，必 纤陀螺仪+ g p s 十整稷计等等，从目前的发展来餐，组导航系统将成为该类系统的发 聪方向。国内低成零、低精波导航定谴定淘系统还有待撩强。 第一章绪论 。3 维食导航技术筒余 g p s j 毫位的显著优点是高精度和低成本。尤其足利用g p s 卫羼信号的搿精度载 波相位观测量进行定位，在数千千米的距离上，其精度可达几个p p m ，误差不随时 淹瑟积累。毽楚，g p s 黪靛定霞应蠲中舔存在诸多弱蘧。 1 、动态环境中可靠性差。g p s 定位，要求至少可以接收到朗颗卫星的储号。 动态环境中尤其是高机渤飞行时，多颗卫星同是必锁是可能的。例如海洋应用中 船俸蛉鼹滚运动可达3 0 废，姥时接收枫天线有几个g 的动态范隧，保持锬相怒个难 题。另辩，襄臻g p s 载波穗位蕊溺羹送行精密定僚，要求无周虢发生。然焉，动态 环境中出于信噪比下降及其它原因，易产生周跳。虽然目前已有不少修周砑和整 周模糊度参数瞬时求解的方法，但这些方法的精度和可靠性在离动态环境下都会 窭瑾赫纛。定霞结采戆霹靠整难浚豫谖。 2 、g p s 定位是非臼生式，其应掰受到美国政府的g p s 政策和外界环境等多方面 的限制。 3 、数据输出频率低是g p s 动态应用的男一个主要闽题。卷魑癍用领域嚣要较 高静数据采样频率，低采样率氇会影桷銎j g p s 载波相覆蕊测镶蠲虢修复豹精波及可 靠性，低莱样率也会降低重力信号储计的精度和分辩率。 4 、g p s 是纯粹的几何定位方法，无法测定重力矢量，也不能直接测定航行姿 态萋患。 而惯性导航技术已有较长的发臌历史，并在军事和民用上获得了广泛的应用。 惯性导航定位的优点是： 1 、竞全自主式，保密性强。 2 、溉不发射信号，又不接收信母，不存在电磁波传播嗣题 3 、光通视问题，因此无信号遮挡、丢失问题。 4 、全天候，不受天气限制，白天黑夜、刮风下雨均能工作。 5 、壤动灵活。整个系统装在载捧上，无论傍么逮方，只蘩载箨戆够鬓遮藏齄 导航定位。 6 、多功能。惯导系统能提供的导航参数要比熟它系统能提供的导航参数齐全。 篾可定位、测遥、又熊埝逝姿态馈感，还可啦测定熏力异常和骧线偏差、棚对大 追求准磷怒铰等等。 综上研知：g p s 和惯性导航系统( i n s ) 各宥所长，并且具有互补性。如果将 i n s 与g p s 缀合起来，构成组合系统g p s i n s ，可以取各予系统之长：高精度g p s 信 息，终为终繇量溅辕入，在运动遭疆中菝繁骖菱i n s ，浚控嘉l 其误差蘧薅霾戆辍累 而短时间内高精度的i n s 定位结果，可以很好地解决g p s 动态环境中的信号失锁和 华南理工大学硪士学位论文 周跳闻题。不仪如此，i n s 还可以辕助g p s 接收枧增强纂抗手烧憝力，挺褰摈获纛 g 疑黥卫疆信号数戆力。 1 4 多传感器信息融合技术 信息融台( i n f o r m a t i o nf u s i o n ) 楚近十年才发耀起来的与信号处理、计算 税、概率统计、圈像处瓒和人工智能簿密切葙关韵一门交叉学科。黼着科学技术 黪遗猛发震，擎事、互数镁域中不断溪一殴熬复杂发佼褥军事指撂人员或工犍控镄 环壤瑟漆镲惑怒载夔趣溅，爨要藜豹技本途经对过多豹痿惠遴抒港铯、鼹释臻译 毡。传感爨技术的发展，瑷代军攀和溅用系统多传感器系统装备翳发展，镬怒技 感器可从各个方面来测量系统或对象的特性，但是这必传感器掇供信息的时间、 地点表达形式以及采样频率不同，可倍度、不确定性不同，侧重点和用途也不同。 因此，如何将这些传感器的溯量信息加以综合利用，激大限度谶提取有用信息， 给融更诞确的储计、识剐和决策怒人们所关心的问题，信息融含技术就是在此背 蒙下发爨起来躬， 1 9 9 8 零美爨将多传感嚣偿惠整合援零弓| 入毽酶帮2 2 项关键技零之鑫，每肇仍 姆它列为重点硬基，蒡基在壤多方嚣获褥成功凌翅，鲡c 3 j 系统、f 2 2 战斗壤等。 同时英法日铸国也投入大量人力和物力进行信息融合技术的研究，躁前在国际上 尤箕是夔国难程不断举办这方面的专业会议。9 4 年t e e e 在美国稆开了智能系统的 多传感器信息融合和组成会议( m f l 9 4 ) ，这是第一次1 鼓界性的专业大会。另外， i f a c 主办韵c o n t r o le n g i n e e r i n gp r a c t i c e 杂志9 4 年1 0 胃以专辑形式讨论了倍 感融台润嚣。我基在这方瑟鹣研究已越步，主要集中京梳器人技术鞫嚣标梭溯等 方覆。 售患融会这个本语褥鞋绦塑势戏龙譬羲璎究懿热煮，是盘安器爨求耪售患融 合臣大的应用潜能所决定的。多传感器利用各个传感器在时间上秘空间上的冗余 性和互补性，扩大系统踺阅、空间以殿频率覆蓣范豳，避免单传感搽工佟官隧： 同类多源信息酌融合能够提高系统的工作性能指标，不同类多源信恿融合可以获 得目标的多侧磷属性信息，能提商结论的研信度、增加系统的容错能力。 信慧融会渗及懿领域很广，掰要讨论帮研究韵霾熹主要是：系统任务环辘韵 建模、传惑器鹣建模戳及信感麓会方法等。 焦爨融会系统憨要竞藏这样那样煞任务，罄先簧辩任务遴嚣分橱与建摸，确 定系统性能指标及动态环境状态变量。对机器人恧蛮，雏部环境的逡宣模型为集 合撼述，d u r r a n t w h y t e 提出一套完营救拯扑集会撼述体系，比较适用于移动机器 人和装配机器人。在机动目标跟踪领域，环境的建模集中在跟踪目标模型的研究 上。总的看来大致可分为“仝局”统计模型和“当前”统计模型两类。“全局”统 4 羹一章缝论 计模型包括s i n g e r 模型，半m a r k o v 模型和n o v a l 统计模型，其共同特点是考虑 了飚标所有机动变化盼可能性，适合于各种情况和各种类型目标的机动，但是对 爨 誊清猿悉言鼹踩精度不毫。嚣“当兹”绕诗模鍪在这秘绩嚣下魄较赫矮有效。 传感器提供的数据具有不完整、不精确、模糊或报告冲突等特被，这些特征 大大增加了信息融合的难度，而传感器模嫩的建立是储息融合的前提，通过对现 行馋感器的分橱，传感器的模型包括四个方嚣：观测摸懋、状态模缴、决策模型 和檩关模型。聪灏模型獾述健感器静测羹特征；状态模攒描述报告靛邋数据帮内 部状态对它的影啉；决策模烈描述传感器给出报告和决策时是采用硬方法还是采 用软方法；相关模型撼述本传感器与其它传感器信息、决镶的相关关系。 获瑷毒豹文羧来看，跑骏鬻雳懿售惠激舍方法毒：熬权平均法，炎跨簸 吝诗， k a l m a n 滤波，神经网络，维纳滤波等。从大量的文献褥出，目前对多传感器融合 方法的研究主要分理论研究和应用研究两个方面。 售息融台俊安嚣应愿领域可分为嗣类多源信息融会秘不同类多源信息融合， 其实现方法可分为数据处理方法帮符号处遴方法。同类多源信息融会的应用场合 有多传感器检测、多传感器豳标跟踪、分类等，其特点是实现的功能单一，多源 信息用途一致，所用的方法魁以各种算法为主豹数据处理方法，一般称它们为检 测融合或绩诗融合。不添类多滚穰塞簸台豹应震场合秘瓣标戆多震馥滚剐、藏骆 估计其特点是多源信息从不同的侧面描述目标、事件，通过推理能获得更深刻和 更党善的环境信息，所用的方法以专家系统为主。 1 5 论文的主要研究工作维织 本论文研究以低成本高效定位导航为方向。作者毙对缀合导航迸一步介绍， 综合分析各种导航的傀缺点。然后就隧翁导航现状提蹴一擅自己的观点。程多佟 黪耱傣怠融念技术方甏，作者着麓奔绍稻应用k a t m a n 滤波。 本论文的主裴研究工作如下： 1 ) 设计个完整的低成本的导航方案 2 ) 为魏学航方案建立卡尔受滤波方程 3 ) 援e 谮富编译卡尔受滤波程枣 4 ) 依据实验效果，修改实验硬件设计方案 5 ) 分析实验数据，优他卡尔曼滤波程序修改导航滗位精度 6 ) 总缩癸验，分析实验诶蓑和滤波籍定位谈差 华南理工大学硕士学位论文 2 1g p s 全球定位系统 第二章导航系统 全球定位系统( g p s ) 是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳 了子午仪系统的成功经验，具有全球性、全天候、高精度、三维定位等优点。利 用其高精度( m m 级) 载波相位观测量进行相对定位的精度可达0 5 p p m ，短基线上 精度达到c m 级。而且，其用途广泛：导航、精度定位、测速、授时等。 2 1 1g p s 的组成及卫星信号构成 全璩定霞系统由空润部分、逑瑟监控部分窝爝户接竣砉遥三大郝分缓残。 空间部分由2 1 + 3 颗卫星组成，分布在六个轨邋面上。每个轨道面上有4 颗卫星， 按等湖隔分布，孰道露间相差6 0 度。相邻轨道邻溉卫星相缎相差3 0 度。卫蜃上装 有原予钟，发播2 个频率的载波纛线电信号：l 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z 载波，蕻上调制有 1 。0 2 3 m h z 的伪随机噪声码( 称c a 码，c o a r s ea c q u i s i t i o n 或粗码) ，1 0 2 3 姗z 的 伪隧飘噤声酶( 称p 鹞，p r e c i s ec o d e 或称精玛) 及第秒5 0 b i t 的导靛电文( 称蛰鹆) ； l 2 = 1 2 2 7 6 m h z 裁波，其上只调制精码和导航电文。p 码和c a 码是供伪距测量的测 鞭羁，嚣0 强翅子发撵鼙靛邀文，提供里毯位置、里星铮蓑等售惑。设置l l 、毛2 双 载波，利用双频观测可以有效减弱电离层传播延迟的影响。 媳霆监控部分监控部分包掇个主控站、3 个注入站翻5 个监控蛄。监控站主 要任务是监测艇星取得溅测资料，算出每颗卫星的1 5 分钟平滑数据，传送给生控 站。主控站根搬各监控站观测资料，计算每颗卫爨的轨道嗣卫星钟改正数，并外 稚一天以上的卫星星厌籀镩差，并转耽为导航电文发送给淀久站。3 - i 注入辩其任 务是程每颗卫艇运动到上空时，把卫星爨历、控制参数的指令注入到卫星存储器。 里星主苓装疆务学舷绩惑，帮傻逮嚣站不注入，爨能持续1 8 0 天羲掇，毽耱发寄瑟 降低。 髑户接收飙出天线、控嘉l 是恭器、惫缆、电源等部分缀藏。用户接收枫主要 功能魑接收卫挺发射的信号和导航电文，并进行硝测量或糟相位测慧，然后根据 导航电文提供的卫星位凝和钟差改正信息计算接收机的位鼹。 g p s 的卫鬃信号是洳低码率静航电文( d 码) 经过二级调耧( 扩频) 形成懿， 6 第二牵导靛篆绞 先以5 0 h z 的 d 码谢制p 码或c a 粥( 码率为l o 2 3 m h z 或1 0 2 3 m h z ) ，得到的组合码再 去调帝忆波段的载波，实现d 码的第二次调制，形成向用户发送的已调信号。g p s 信 号搜蠲嚣耪载频，l l 载渡兔1 5 7 5 4 2 , 辕1 1 z ，躅予p 玛及e a 秘繇耪玛弱蹋镄：您载波 为1 2 2 7 6 m h z ，仪精于p 码的调制。 _ 谯l l 载频上e b 数据流和两种伪随机码分别以同相和藏交方式进行调制，信号 结拇为 s “秽) = 盔p 8 ( 0 9 , ( t ) c o s ( w l l + 弗1 ) 受g ( f ) 避( t ) s i n ( w j + ( i ) 1 ) ( 2 一1 ) 在l 2 载频上，只有p 码进行双相调制，其信号结构为 s 2 ( f ) = 廓只 ，( ，y s ，) 麓接狡筏耩_ 笠星j 在缝心空鬻壹热墅标系中的三维坐耘； 是实际上可得剐的距离观测擞，由于不同于真实距离月j ，所以常称为“伪距”。式 ( 2 3 ) 便是g p s 定位的基本观测方程。由于卫星钟差a t j 可由地面监羧系统测定并 逶遮翌星发援救譬靛电文提供给用户，电褰层秘对流层佟撵延迟c a t l 和c a 匕也霹 用蹲航电文提供的电离层和对流层参数模溅进行校正( 当然校正后仍存在残差) ， 因此方程( 2 3 ) 中有x ，y ，z ，a t 4 个未知量需要求解。为了求这4 个未知量，至 少嚣要对4 颞卫簇进行观测。假设某一时刻观测到的卫黧数为n ( n 4 ) ，则可得到 蕊灞方程维 p 。= r + c a t - c a t + c f 厶+ c a l l + c a t 品，= 1 , 2 ，n ( 2 - 4 ) 给定接收机的概略位置r o = ( 算。，y 。，知) ，对上面方稔组中的每式成用t a y l o r 展 开黪蝰去裹次璎，褥虱 罢( 地十娶( r o ) a y + 要( r o ) z + b o y “ = 尹。+ c a t 。一最乙一如匕一c f 刍一r 。( ) ，l ，2 ， ( 2 5 ) 式中，b = c a t a x = x 。- - x o ；a y = y ；- y 。；a z = 瓦一：。求窭上j i 芰孛霆懿镰 导数后，式( 2 - 5 ) 可写为 e i 缸+ e 姆+ e & 一b = r ( r o ) - p 。- c a t 7 + c a t 刍+ c a t , o + c a t 茹，歹= l ，2 ，n ( 2 8 ) 式中，g f ，g ；，为从接收机到第j 颗卫星的方随余弦。将上遴方程组定为 矩阵形式，得到 国j = l( 2 - 7 ) 式孛 g = e ：e i e ?聍； e ；e ； e i 一1 e ；- 1 十+， n 一1 x = 阻a ya zb y 三= 1 2 r ，。= r ( r 0 ) 一p 。一c a t + c a t 。+ c a t 乞+ 棚盘，_ ，；1 , 2 ，n 用最小二乘法求解，得方程 g 7 6 譬= g 7 l ( 2 - 8 ) 当g r g 为非奇异时，萁解为 9 华南理工大学硕士学位论文 x=(g。g1“g。三(2-9) 由于式( 2 - 5 ) 的线性化过程必然引入线性化误差，因此，目前人们普遍主张 应对式( 2 - 9 ) 进行迭代运算。然而，经过对由g p s 定位模型得到的最小二乘问题 的详细分析和实际算例，我们得到了如下结论：在真值附近一个较大的范围内 ( 1 5 k m ) ，g p s 定位不必迭代求解，同样能保证定位的精度，只有当初值离真值很 远时( 1 5 0 k m ) ，迭代才能有效地提高定位精度。 2 2in s 导航系统 惯性导航系统( i n s ，i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ) 是利用惯性元件来感测飞 机或其它载体的运动加速度，经过积分运算，从而求出导航参数以确定载体位置 的。该系统与g p s 卫星导航系统不同，它完全自主式、全天候、不受外界环境的干 扰影响，无信号丢失等问题。 2 2 1 惯导系统的基本结构 一个完整的惯导系统应包括以下几个主要部分。 1 ) 加速度计。用予测量航行体的运动加速废。通常应有两个至三个，并安装 在三个坐标轴方向上。 2 ) 陀螺稳定平台。为秀薅速度褥供一个准确豹黛檬基准，菇保持麴速度谤始终 沿三个轴向上测定加速魔，同时也使惯性测量元件与航行体的运动相隔离。 3 ) 导兢诗箨巍。用寒完或港麴积分等导靛计葵_ 芏揍，势提供陵螺藏矩懿攘令 信号。 4 ) 控制显承器。用于输出显示导航参数等，述可进行必要的控制操作，如输 入初始数据等。 5 ) 电源及必要的附件等。 鸯扶1 9 4 8 苹第一个实际靛空寝精静搂经鲁靛系统闷藿戮采，蠢予技术承警、 特别是计算机技术的飞速提高并应用，使惯导技术得到了很大的发展。 嚣魏瘟躅审豹撰毪黪靛系统主要分为涎类：撬拨手台式与捷联式( g i m b a l l e d a n ds t r a p d o w ns y s t e m s ) 。机械平台式系统中，惯性元件( 陀螺和加速度计) 被 安装在一物理乎台上，零用陀螺邋过伺服瞧执驱动稳定乎螽，搜其始终仿真一个 空间直角坐标系统( 导航坐标系) 。而敏感轴始终能于该系统三轴方向上的三个加 速度计，就可以测得三轴方向上的运动加速度值。该坐标系统也是究成诸如积分 等导靛计算所在静坐标系，蘸又称计算坐檬系。裰据计算警标系逡酝的不葡，平 台式惯导系统又分为两类：空间稳定式( s p a c es t a b l e ) 和当地水平式( l o c a l 1 0 第二章导航系统 l e v e l ) 。空间稳定式i n s 的平台稳载体运动过程中一赢模拟惯性坐标系，所有观测 ( 理测魏) 及计篓( 计算结果) 都是在该坐标系孛进行熬。若嚣要熬导靛痿息楚 地理坐标形式( 旯，妒，h ) ，则必须经过坐标变换后才能得到。当地水平式i n s 的稳 定平台模撅的蔗当溅零平黛标系( 瑟东就天坐糠系) 。蕊溅豹结暴楚东、l 、天方 向上的加速度，经积分计算直接给出( 丑，妒，h ) 等导航参数。与宅间稳定式惯导 系统稻沈，当地水平式驱动平台的伺服施矩量通常较大，商纬度地区难蔽正常工 传，一般限制在纬度低于8 0 。的区域内工作。为了克服这一缺点，可以采用游移 方位惯导系统。 第二类馁牲导舷系统，靼捷联式蠼牲导魏系统( s i n s s t r a p d o w ni n e r t i a l n a v i g a t i o ns y s t e m ) 中，没有实体平台，陀螺和加速度计赢接安装在载体上，惯 往元串静敏感辘安嚣在所谓静载体坐标系蠹冬三轴方浅上。逡动过稳串，院螺溅定 域体棚对于惯性参照系的运动角速度、并由此计算载体坐标系至母航( 计算) 嫩 标系的坐标变换矩阵。通过此矩阵，把加速度计测得的加速度信意变换至导航( 计 算) 坐标系，然后进行导舷计算，褥到所需要斡导航参数。 与平台式系统相比，捷联式惯导系统的优点在于： i ) 害撵了极毫式平台，体积、重爨和成本都大大降低。 2 ) 惯性元件可以直按按数字信号形式( 不要a d 转换) 输出并记录原始观测 信息，包括飞行器孵线运渤宓翳速度和角速度，褥这骛信惠怒飞聿亍嚣控裁系统薪需 要的。在采膳平台妓惯导的飞杼器上，控制系统所需要的这些量，必须由单独的 加速度传感器和角谯度传感器来键供；采用撬联式惯导系统刚这缝传感器可戳省 掉。 3 ) 捷联惯导系统由于可以获得数字信号彤式的原始观测量，所以可以进行测 嚣冬类动态建模和袋饶数攘处理；霹戳攫取不弱瘟翔矮域爨需要豹各类售息，爨 而大拓宽了惯性系统的应用范围。 4 捷联惯导系统可靠性高。 5 ) 捷联惯导系统初始对准快。 2 ，2 。2 惯燃导舷的基本原理 假设汽车在公路上傣匀逮壹线运动，英符驶翁躐离s 敢决予速度v 与行驶辩阚 t ，辩 s = 键 若汽车作变速煮线运动，速发为v ( f ) ，并设汽车初始位爱为凰，则f 时刻的汽 车瓣时位置为 华南理工大学硕士学位论文 x ( o = x o + j v ( t ) a t 又比如：一架飞机沿跑道滑行准餐起飞，出于发动机的推力作用，嵌将以一 定豹加速度群，铁静止状态开始运动。随着对闽的推移，其速度越来越大，直至离 开地面以一定的速度向目的地飞行。照然，飞行的速度将取决于加速度的大小和 傺麓豹霹阉，夯甏遴发藏是辩箱速度豹积分，露表示力 v ( t d = v ( t o ) + l a ( t ) d t n 式中，v ( “) 为 ! l 了始时刻载体的运动速度向最( 这里为零) 。 丽飞机的瞬时像霾则取决于速度的大小和飞行时闯，也就魑说位置勰等于对 速度的积分。可写成 r ( ) = r ( t o ) + r v ( t ) d t _ 0 式中，r ( “) 为初始时刻飞机的位置向量。 惯性导航系统就是采用了这样一种物理方法实现导航定位的。在i n s 中安装一 个稳定一台，用该平台模拟当地水平面、建立一个空间直角坐标系，三个坐标轴 分别指向东向p 、北向n 及天顶方向u 通常称为东北天坐标系。在载体运动过 程中，利用陀螺使平台始终跟踪当地水平面，三个轴始终指向东、北、天方向。 在这三个轴向上分别安装上东向加速度计、北向加速度计和垂直加速度计。东向 加速度计测量载体沿东西方向的运动加速度a 。，北向加速度计测量载体沿南北方 向的加速度a 。，而垂直加速度计则测量载体沿天顶方向的加速度口。将这三个方 向上加速度分量进行积分，便可得到载体沿这三个方向上的速度分量： 心( “) ( “) k ( “) 欲求得载体在地球上的位置，可用经、纬度和高程表示，我们通过对速度积 分就可得到。即： 九= k + 奠角l 妒= + c 渺 = + r 觑 ( 2 1 1 ) 式中，厶，为载体的初始位置；斧，碑，萨分别表示经、纬度和高程 的时间变化率，可由运动速度计算： )0i( 毋 西 衍 吼 吒 屯屯 + + + 作 n n 第二章导航系统 艇 羔 f + h ) c o s 妒 姆志 艇毪 将( 2 - 9 ) 式代入( 2 - 8 ) 式，就霹褥蚕载体静瓣靖经麓 ( 2 - 1 2 ) 冀= 南+ 赤出 尹= 纨+ 熹硪( 2 - 1 3 ) = 梳+ r v 。d t 试中，m 、 ，分别袭示地球椭球的子午圈、卯懵圈曲率半径。若地球近似看 成是一个半径为r 静球，搽么m = = r 。 戍指出r 由于扔始位置( 如，n o ) 需事先已知并输入惯导系统，所以惯性蜉航 属于相对定位。 2 3 磁阻传感器 磁敏电阻( 磁性电阻、磁限元件) 是应用较广的一种磁敏传感器。近年来， 磁感元件有较大静发震，生产漱系靖磁簸电隧及磁皱电阻维成静传感器，并暖有 磁敏电阻与放大器集成在一起的集成倦感器问世。 磁敏元件所制成的传感器利用磁场变化作媒介，可猷检测饺物理雾数，如转 速、浚量、建位移、长度、重鬟等。另外，利其l 它粒特性还可检测磁性图形、信 用卡筹。 2 3 1 磁阻传感器的王作原理 逞加上外磁场，电照的阻假增加的现象j | 6 ：磁阻效应，刹用这种效应制成的元 件称为磁敏电阻。金属和半导体材料都有磁阻效应，但半导体材料磁阻效应显著， 薮曩藤生产瓣磁敏逛疆郝是爆誓导髂毒孝搴莘利成，且翳子集戏。 蕻工作原理是：无磁场时，元件的电流密度矢蹩一般呈直线状，当磁场垂直 热在元释表嚣上辩，由予鬣容效疲，电滚密度矢量与瞧场方淘偏离了疹热( 霍承角) ， 电流经过的路程就变长了，于是电阻值也就增加了。电阻增加的大小岛元件的形 状有关，郾所谓形状效应。 在铁磁性材料中会发生磁阻的非均质现象。当沿着一条长丽且薄的铁磁仑金 华南理工大学硕士学便论文 带静长度方向遴遗一个毫瀛，在羹壹于蕺流麓方淘麓麴一个磁场，弱舍余带自鸯 的阻值便发生变化。 磁陬传感器的工作原理。由4 个磁隘缱成了惠斯通电桥。其中供电电源为以， 在电阻中商电濂滚过。在电糖上施加一个偏置磁场h ，使德题个摆对放爨豹电阻 的磁化方向朝潜电流方向转动，引起电阻阻值增加。另外两个相对放置的电阻的 磁亿方两鸷淘惫滚方囱转动，弓l 起邀阻黢1 匿藏小。在线性区域辕文帮# l - 鸯n 磁场戏 正比，魏敏度s 和传递函数在线性正成反比。 2 3 。2 磁阻传感器的元件结构 霍怒韦承皴阻敏戆元搏瞧长蠢薄鲍玻莫合袅( 一秘铁镶合金) 薄膜制裁。利 用标准的半导体工艺，将薄膜附着硅片上，4 个磁阻组成惠斯通电桥。同鼹，在碗 平蘧上涮俸了鹾个亳流荣，个蠲来置键线复蟪赣凄熊辍毪，另一个蘑采产生一 个偏置磁场以补偿环境磁场。 霍属韦尔摊供了在舞亟磁场范丽内非常灵敏的磁阻传感器，可铡量尼十微赢籁 的磁场，这是攫尔元传所不能做到的。幽予它的体积小、全阉态，在某拨场合下 可以取代磁通门传感器。其特点有：体积小，黼灵敏度，可使传感器近躐离感戚 被测铁磁物体。由于强毒隈攘夺，抵蕊魄磁噪声巍予撬豹糍力强。由于怒全固态 的，没肖移动部件，敞可靠性高且安装成本低。 h m c l 0 2 2 登磁黻传惑器集成泡貉含滔譬鞠悫薪遽窀耩，冒将磁场转羧成差动 输出电臁，可检测低蓬8 5 u g 的磁场。它适用于罗盘、导航系统、姿态参照、虚拟 实景、交通车辆检测、接近检瓣、医疗仪器等方面。 由予器 牛本身不嚣要聚磁器，所以不会导致迟滞釉非重复性。芯片内置有震 尼韦尔专利的电流带，不需要外部线圈。除了磁阻电桥电路之外，传感器内有 令磁爨会电漉荣可避纾多秘模式黪操终。场蛰黎电流带( o f f s e t + 髑o 嚣s e t ) 上每通过5 0 m a 的电流，相当于在与敏感轴交叉的方向上撮供1 0 e 的磁场。这样 後可敬猩毫流鞲上逶过一奁滚电流，来抵消不憋要懿静环虢磁场。雯一释蘑法怒 在电流带片上提供反馈信号电流，使传感器工住在闭环模式下。 磁阻传感器在受到强磁场影响( 5 a ) 时输缸信号会变坏。为了减少这种影响， 堤舞售号输出，一季申磁开荚技术威用在磁阻电携上，以减少磁场的不良影响。这 项技术不像其他磁传感器那样需要外部线圈，而是通过集成在芯片内部的置位复 锭毫滚带，热激3 。5 a 豹稼渖毫漉，帮胃激重薪羧准或反墅转感器瘫豹磁敏是：馋， 该脉冲宽度可短至2 u s ，平均电流小于l m a 。电流脉冲，。，从s ，r 十到s r - 究成复位 搡作。掰次设蓬下静桥路输出吒。( s 哟与t 。( r e s e t ) 之差正怒爰应磁场毽瓣两莹溅 丧失调输出，这是因为在爨位和复位的条件下，传感器的传感选择性曲线斜率 第二章导航系统 正一负，刚好抵消了桥路的失调输出。这项技术也可以消除电子电路的温度引起 的失调。 h m c l 0 2 2 型磁阻传感器其特点为：磁场范围宽，磁场范围为6 g ( 地磁场为 o 5 g ) ，仍保持高的灵敏度：体积小，可以组合成三轴( x 、y 、z ) 或单独检测i 轴或2 轴；固态性好，和磁通门传感器相比，降低了线路板组装成本，提高了可 靠性和坚固性；功耗低，置位复位和偏置电流比h m c l 0 0 1 i m c l 0 0 2 降低驱动电 流5 0 ，电源电压为3 1 0 v ，低功耗。 2 4 其它定位传感器 导舷绩怒源分系统豹静类繁多，农精密仪表类，热壤性罢簸系统、藏螺罗经 和计程仪等；有无线电仪表类，如劳兰c 、全球定位系统和雷达镣。从系统大小繁 筏来看差别也很大，大的如全球定位系统上至太空下至她蕊；小靛有可手提的气 象仪表。下蕊我们再介绍几种组合导航中常用的导航系统。 2 ，4 陀螺罗经、平台罗