基于GPS／INS實(shí)現(xiàn)某自行高炮導(dǎo)航系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

1 INS工作原理
INS是通過IMU(慣性測量組件)測量載體相對慣性空間的角速度和加速度，并根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律對其進(jìn)行時(shí)域積分并轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，從而推算出載體的瞬時(shí)速度、偏航角和位置等導(dǎo)航信息，如圖1所示。

取xoy為定位坐標(biāo)系，載體的瞬時(shí)位置為(x，y)，如果在載體內(nèi)用一個(gè)導(dǎo)航平臺(tái)把2個(gè)加速度計(jì)的測量軸分別穩(wěn)定在x和y軸向，則加速度計(jì)分別測量載體，x和y軸的相對慣性空間的運(yùn)動(dòng)加速度，經(jīng)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的運(yùn)算得到載體的航行速度Vx，Vy，，故有：

若經(jīng)緯度為α，β，x正向?yàn)楸?，y正向?yàn)闁|，地球半徑為R，則用經(jīng)緯度表示位置信息為：

注：P為位置；V為速度；T為時(shí)間；A為姿態(tài)；c為通信。

2 GPS工作原理
GPS的工作原理如下：圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星連續(xù)向地球表面發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)波無線電信號，信號中載有衛(wèi)星信號準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)間以及不同時(shí)間衛(wèi)星在空間的準(zhǔn)確位置(星歷)。位于載位上的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在接收到衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號之后，如果他們有與衛(wèi)星鐘準(zhǔn)確的同步時(shí)鐘，便能測量出信號的到達(dá)時(shí)間，從而估算出信號在空間的傳播時(shí)間，再利用這個(gè)傳播時(shí)間乘以信號在空間的傳播速度便能求出接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離。即：

式中：R為衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離；(x0，y0，z0)表示接收機(jī)位置的三維坐標(biāo)；(x，y，z)表示衛(wèi)星位置的三維坐標(biāo)。其中R，(x，y，z)已知，(x0，y0，z0)未知。如果接收機(jī)能同時(shí)測出與三顆衛(wèi)星的距離，則構(gòu)成三個(gè)方程式，聯(lián)立求解，即可求得接收機(jī)的位置(x0，y0，z0)。
高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面接收裝置不斷跟蹤衛(wèi)星，算出它們近期的準(zhǔn)確軌道，并且不斷測量出衛(wèi)星所載原子鐘的微小誤差，以使衛(wèi)星播發(fā)的位置和時(shí)間一直保持著很高的精度。然而普通的接收機(jī)不可能有十分準(zhǔn)確的時(shí)鐘，因此由它測出的衛(wèi)星信號在空間的傳播時(shí)間不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致接收機(jī)與衛(wèi)星的距離不準(zhǔn)確，這種距離叫做偽距(PR)。但是在接收衛(wèi)星信號的瞬間，接收機(jī)的時(shí)鐘與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所用時(shí)鐘的時(shí)間差是一個(gè)定值，假設(shè)為△t，則式(1)改寫為：

如果接收機(jī)能測出距四顆星的偽距，聯(lián)立四個(gè)方程既能求解接收機(jī)的位置并告訴它準(zhǔn)確的時(shí)間差。當(dāng)載體不運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)，接收到的衛(wèi)星信號的載頻中會(huì)有多普勒頻移，這個(gè)頻移的大小和正負(fù)是根據(jù)衛(wèi)星的星歷、時(shí)間以及載體本身的位置計(jì)算求得。然而如果載體本身運(yùn)動(dòng)，則這個(gè)多普勒頻移便要發(fā)生變化，其大小和正負(fù)取決于載體運(yùn)動(dòng)的速度和方向，根據(jù)這個(gè)變化，可以求得載體的三維運(yùn)動(dòng)速度。這樣，GPS就可以為用戶提供準(zhǔn)確的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。

3 GPS／INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型
組合導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。