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基于Matlab卡尔曼滤波的GPS/INS集成导航系统研究与实现

news 来源：原创 2025/5/9 17:33:04

随着智能交通和无人驾驶技术的迅猛发展，精确可靠的导航系统已成为提升车辆定位精度与安全性的重要技术。全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）在导航应用中各具优势：GPS提供全球定位信息，而INS则通过加速度计和陀螺仪等传感器实现高频率、高精度的短期姿态和位置估计。然而，由于GPS信号易受遮挡与干扰，INS误差会随时间累积，单一传感器在复杂环境下的应用效果有限。因此，本文提出并实现了一种基于卡尔曼滤波的GPS/INS集成导航系统，旨在通过传感器融合弥补单一导航系统的不足，提高定位精度和系统鲁棒性。

本文首先介绍了卡尔曼滤波算法在GPS/INS集成导航中的应用，重点讲解了如何利用卡尔曼滤波对GPS和INS数据进行融合，以精确估计位置、速度和姿态。具体地，使用卡尔曼滤波优化了位置、速度和姿态的估计过程，通过对GPS与INS数据的时空融合，实现了在GPS信号弱或失效情况下的高精度导航。此外，本文采用四元数方法对姿态进行表示，避免了欧拉角可能带来的奇异性问题，并在卡尔曼滤波框架下完成了各个传感器数据的融合和误差修正。

通过与单独使用GPS或INS的系统对比，实验结果验证了所提出的集成导航系统在动态环境下的优越性能，尤其在GPS信号弱或完全丢失的情况下，系统依然能保持较高的导航精度和稳定性。最后，本文提出了进一步提升系统性能的研究方向，包括结合其他传感器（如视觉、雷达等）的数据融合，以期为未来的导航技术发展提供理论依据和技术支持。

算法流程

运行效果

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图1：该图展示了由GPS和INS数据融合后得到的动态姿态估计中的欧拉角变化

表现：欧拉角的计算值与参考值几乎完全重合，表明导航系统在姿态估计方面精度很高。系统能够平稳地跟踪飞行器的横滚、俯仰和偏航角变化，没有出现明显的误差或漂移。
评价：系统在姿态估计上表现非常好，能够精确估计飞行器的姿态变化，适用于高精度的动态控制。

图2：该图展示了GPS与INS融合导航中经度测量结果的对比分析

表现：计算值和参考值基本重合，精度较高。即使在快速变化的时段，系统依然能保持准确的跟踪，误差极小。
评价：系统的经度估计精度优秀，能够准确捕捉到经度的细微变化，稳定性和实时性表现很好。

图3：展示了GPS与INS融合导航中的纬度估计对比图

表现：计算值与参考值曲线高度重合，表现出相同的快速变化和稳定性。系统能够在复杂的轨迹变化中保持较高的精度。
评价：纬度估计方面，系统表现优秀，能够适应载体的动态变化，且误差几乎不可察觉。

图4：展示GPS与INS组合导航系统在高度（海拔）方面的对比图

表现：高度值也高度吻合，尽管有一些明显的波动，但总体变化和参考值一致。系统能够准确捕捉高度的波动，并在快速变化时表现良好。
评价：系统能够准确估计高度变化，适用于高精度的垂直运动跟踪和高度控制。

图5：显示GPS与INS组合系统在北向速度的估计结果对比

表现：计算值和参考值在大多数时间内高度一致。尽管速度有明显的加速和减速过程，但系统的响应很快，能够跟踪速度的快速变化。
评价：北向速度估计效果很好，系统能准确捕捉到载体的速度变化，特别是转向或避障时的加减速。

图6：显示GPS与INS组合系统在东向速度的估计结果对比

表现：东向速度变化较大，但系统能够快速响应并准确估计速度变化。特别是当速度剧烈变化时，计算值和参考值依然吻合。
评价：东向速度估计非常精确，系统能够处理快速变速的运动，并及时跟踪载体的东向运动状态。

图7：显示GPS与INS组合系统在地向速度的估计结果对比

表现：地向速度变化较小，但系统能够准确地跟踪每个垂直运动变化，尤其在快速变化时，误差控制得很好。
评价：地向速度估计方面系统表现良好，能够准确追踪垂直运动，适用于高度控制和复杂环境中的垂直变化。

总结：
（1）从这些图表来看，导航系统在姿态估计、定位精度、速度变化跟踪等方面均表现出色，能够准确估计载体的动态状态。特别是在快速变化和复杂运动状态下，系统能够实时调整并提供高精度的反馈，几乎没有明显的误差或漂移。
（2）这些结果表明，导航系统具有很强的鲁棒性和实时性，适用于复杂环境中的高精度运动估计，特别是在无人驾驶、飞行器导航等领域，可以提供可靠的支持和高效的性能。

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