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高精度GNSS/INS组合导航系统的设计与实现

摘要

随着全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）的现代化建设

和通信技术的快速发展，显著提高了卫星导航系统的定位精度与可靠性，扩大了GNSS

定位的应用范围。实时动态（Real-TimeKinematic，RTK）差分定位技术能够实时提供

厘米级导航定位精度，广泛地应用于导航定位领域。RTK定位技术具有覆盖范围广、实

时性强的优点，因此可以通过RTK定位技术使卫星导航系统输出高精度的定位信息，

从而为惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）提供有效的实时高精度校正数据。

在GNSS/INS组合导航系统应用中，经常存在GNSS信号被遮挡或受到电磁干扰导致

GNSS信号失锁的情况，此时独立工作的INS由于位置和速度误差随时间积累导致定位

精度迅速下降。而人工神经网络具有良好的非线性拟合、自学习能力，因此深入研究神

经网络在组合导航中的应用具有重要的工程应用价值。

本文以提高组合导航系统的定位精度为目的，以网络RTK定位和BP神经网络方法

为基础，设计了高精度GNSS/INS组合导航系统。在研究组合导航滤波定位算法的基础

上，对系统进行了软硬件设计实现。系统采用微处理器读取卫星导航接收模块的原始数

据，通过4G模块与CORS基站建立传输链路，获取差分校正数据并实现基于电离层残

差-MW组合算法的周跳探测，采用LAMBDA算法固定整周模糊度，最终实现高精度网

络RTK定位；针对GNSS信号失锁时纯惯导系统定位误差累积的问题，设计了基于BP

神经网络（BackPropagationNeuralNetwork，BPNN）的导航滤波算法。该算法当GNSS

信号有效时，通过学习数据样本之间的关系对BP神经网络进行训练；当GNSS信号中

断时，利用该模型模拟组合导航Kalman滤波器的输出补偿INS的输出误差，从而抑制

INS独立工作时定位误差的累积速度。

系统静态实验在位置经过精确标定的基站进行，实验结果表明：系统静态水平定位

精度为2.5cm，高程定位精度为5.5cm。动态定位实验采用高精度参考系统比对进行，

结果表明：当GNSS信号有效时，水平定位精度为3.5cm，高程定位精度为6.5cm。在

GNSS信号中断20s时，纯惯导工作状态水平定位精度为11.4636m，组合后的水平定位

精度达到0.6354m；在GNSS信号中断60s时，纯惯导工作状态水平定位精度为55.3845m，

组合后系统的水平定位精度达到0.9824m。

关键词：RTK定位；神经网络；组合导航系统；

高精度GNSS/INS组合导航系统的设计与实现

Abstract

WiththemodernizationofGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)andtherapid

developmentofcommunicationtechnology,thepositioningaccuracyandreliabilityofGNSS

havebeensignificantlyimproved,andtheapplicationrangeofGNSSpositioninghasbeen

expanded.Real-TimeKinematic(RTK)differentialpositioningtechnologyenablesreal-time

centimeter-levelnavigationandpositioningaccuracyandiswidelyappliedinnavigationand

positioningfield.RTKpositioningtechnologyhasadvantagesofwidecoverageandstrongreal-

timeperformance.RTKposition