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1、惯性导航技术综合实验实验五 惯性基组合导航及应用技术实验惯性/卫星组合导航系统车载实验一、实验目的 掌握捷联惯导/GPS组合导航系统的构成和基本工作原理； 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； 掌握捷联惯导/GPS组合导航系统静态性能； 掌握动态情况下捷联惯导/GPS组合导航系统的性能。二、实验内容 复习卡尔曼滤波的基本原理（参考卡尔曼滤波与组合导航原理第二、五章）； 复习捷联惯导/GPS组合导航系统的基本工作原理（参考以光衢编著的惯性导航原理 第七章）；三、实验系统组成 捷联惯导/GPS组合导航实验系统一套； 监控计算机一台。 差分GPS接收机一套； 实验车一辆； 车载
2、大理石平台； 车载电源系统。四、实验内容1）实验准备 将IMU紧固在车载大理石减振平台上，确认IMU的安装基准面紧靠实验 平台； 将 IMU 与导航计算机、导航计算机与车载电源、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； 打开 GPS 接收机电源，确认可以接收到 4颗以上卫星； 打开电源，启动实验系统。2)捷联惯导/GPS组合导航实验 进入捷联惯导初始对准状态，记录 IMU 的原始输出，注意5 分钟内严禁 移动实验车和 IMU； 实验系统经过 5 分钟初始对准之后，进入导航状态； 移动实验车，按设计实验路线行驶
3、； 利用监控计算机中的导航软件进行导航解算，并显示导航结果。五、实验结果及分析(一)理论推导捷联惯导短时段(1 分钟)位置误差，并用1 分钟惯导实验数据验证。1、一分钟惯导位置误差理论推导：短时段内(t5min),忽略地球自转二0，运动轨迹近似为平面1/ R = 0，此时的位置误 ie差分析可简化为：Vt 2(1) 加速度计零偏V引起的位置误差：5 x = 0.8802m12g 12(2) 失准角引起的误差：5x =0 = 0,9218 m0 2 2(3) 陀螺漂移e引起的误差：5x = 0,0137 m36可得lmin后的位置误差值5x = 5x +5x +5x二1.8157m1232、一分
4、钟惯导实验数据验证结果：(1)纯惯导解算lmin的位置及位置误差图:29.1829.17度 29.1629.150 1000 2000 3000 4000 5000 600001000200030004000500060000.01s北向位移误差0 1000 2000 3000 4000 5000 60000.01s东向位移误差0 1000 2000 3000 4000 5000 60000.01s(2)纯惯导解算lmin的速度及速度误差图:VxVy误差实验结果分析：纯惯导解算短时间内精度很高， 1min 的惯导解算的北向最大位移误差-2.668m,东向最大位移误差-8.231m,可见实验数据
5、所得位置误差与理论推导的位置误差在 同一数量级，结果不完全相同是因为理论推导时做了大量简化，而且实验时视GPS为真实值 也会带来误差；另外，可见1min内纯惯导解算的东向速度最大误差-0.2754m/s，北向速度 最大误差-0.08027m/s。（二）选取IMU前5分钟数据进行对准实验。将初始对准结果作为初值完成1小时捷联惯导和组合导航解算，对比 1 小时捷联惯导和组合导航结果。1、5minIMU 数据的解析粗对准结果：_ -1.1960 -0.9998 -0.0084Cnb =0.9979 -1.1990 -0.01630.0062 0.1198 0.9991attitude =219.77
6、00 -0.9318 0.48282、5minIMU数据的Kalman滤波精对准结果：220219.5-0.8-0.9-1iX: 2.797e+04Y: 220rrrrr航向角0 0.5 11.5 2 2.50.01秒 俯仰角0 0.51 1.5 20.01秒横滚角2.5 3x 1040.80.60.400.5 11.5 2 2.530.01秒x 104fai = 219.9744642380873*pi/180; theta = -0.895865732956914*pi/180; gama = 0.640089448357591*pi/180;秒/米秒/米秒/米0.01秒x 1040.01
7、秒度度x 10-3北向失准角方差2；r度度123-50度度0.01秒x 1040.01秒x 1043、一小时IMU/GPS数据的组合导航结果图及估计方差P阵图:纬度40.24039.800.51250.01s 经度x 1054-335组合滤波 GPS1.520.01s00.511.522.533.54 x 105东向速度/sm-2002000.511.522.533.54/sm0.01s 北向速度x 105x 105/sm0.01s 天向速度航向角x 10500.01s横滚角0.01sx 10500P航向角误差1-4x 1042度0.5133.51.5 2 2.50.01sP俯仰角误差4x 1
8、0542度0.5133.50-4001.5 2 2.50.01s严横滚角误差|4x 105度 0.5000.51.5 2 2.50.01s3.54x 105/sm00P东向速度误差10.50.5133.51.5 2 2.50.05sP北向速度误差-lr4x 105/sm0.5000.51.5 2 2.50.05sP天向速度误差3.54x 105/sm10.50.5133.5001.5 2 2.50.01s4x 10500P纬度误差度20.5133.54004度20.5133.5x 10541.5 2 2.50.01sP经度误差000.20.5133.5m 0.14x 105x 1051.5 2
9、 2.50.01sP高度误差1.5 2 2.50.01slon0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4度 115110-20m200.510.01sheight405x 1051.520.01s4、一小时IMU数据的捷联惯导解算结果与组合滤波、GPS输出对比图:lat12025335纯惯导解算-INS/GPS组合滤減1GPS输出5、结果分析: 由滤波结果图可以看出:(1) 由组合后的速度、位置的P阵可以看出滤波之后载体的速度和位置比GPS输出的精 度高。(2) 短时间内SINS的精度较高，初始阶段的导航结果基本和GPS、组合导航结果重合，1 小时后的捷联惯导解算结果很差，纬度、经度、
10、高度均发散。(3) INS/GPS组合滤波的结果和GPS的输出结果十分近似，因为1小时的导航GPS的精 度比SINS导航的精度高很多，Kalman滤波器中GPS信号的权重更大。(4) 总体看来，SINS/GPS组合滤波的结果优于单独用SINS或GPS导航的结果，起到了协调、超越、冗余的作用，使导航系统更可靠。六、SINS/GPS组合导航程序%INS/GPS 组合导航跑车 1h 实验% %该程序为15维状态量，6维观测量的kalman滤波程序，惯性/卫星组合松耦合的数学模型 clearclc close all%初始量定义wie = 0.000072921151467;Re = 6378135.
11、072;g = 9.7803267714;%IMU频率lOOhz,此程序中GPS频率lOOhz %数据时间3600s%陀螺仪输出的角速率信息单位由。/h化为rad/s%三轴比力输出，单位ge = 1.0 / 298.25;T = 0.01;datanumber = 360000;a = load(imu_1h.dat);w = a(:,3:5)*pi/180/3600;f = a(:,6:8);a = load(gps_1h_new.dat);gps_pos = a(:,3:5);%GPS输出的纬度、经度、高度信息gps_pos(:,1:2) = gps_pos(:,1:2)*pi/180;%
12、纬经单位化为弧度gps_v = a(:,6:8);%GPS输出的东北天速度信息%组合后的速度信息%组合后的姿态信息%组合后的位置信息%组合导航的初始位置、姿态、速度%捷联解算及卡尔曼相关v=zeros(datanumber,3);atti = zeros(datanumber,3);pos = zeros(datanumber,3);gyro=zeros(3,1);acc=zeros(3,1);x_kf = zeros(datanumber,15);p_kf = zeros(datanumber,15);lat = 40.0211142228246*pi/180;lon =116.3703629769560*pi/180; height =43.0674;fai = 219.9744642380873*pi/180; theta = -0.895865732956914*pi/180; gama = 0.640089448357591*pi/180;Vx=gps_v(1,1);Vy=gps_v(1,2);Vz=gps_v(1,3);X_o二zeros(15,l);%X 的初值选为
