本文將探討INS/GPS 整合導航系統中，初始化的校正以及位置、速
度、姿態校正的方法，首先介紹基礎之導航觀念，接著探討慣性導航系統
的運算以及誤差分析；兩系統整合的基本架構是以慣性導航系統提供載具
的動態，全球定位系統提供量測的資料。在了解校正方法的過程中首要了
解系統中各個狀態的角色，並且應用卡爾曼濾波器整合量測資料以修正系
統狀態。本論文以實際應用慣性量測設備並搭配GPS 建立整合導航系統
為目地，對整合過程中所遇到卡曼濾波器的發散問題加以探討。實體化的
部分是使用物件導向的觀念建立地面站系統，單板電腦為運算核心，並且
應用Linux 實際建立一套多工即時處理的系統核心，以整合在現有的無人
飛機中，實現一個高精度的整合式導航系統。
本論文附上所有原始碼包含以Matlab 撰寫的模擬程式、原始實驗數據
與機載電腦程式以及通訊協定規格檔案。

The thesis is dealing with the problem of initial alignment of INS/GPS
integrated system; and in flight calibration of position, speed, and attitude. The
basic structure of the integrated system is treating the navigation data from
inertial navigation system as the system dynamics while those from the global
positioning system as the measurement and using the kalman filter to correlate
the data. The question of divergence of implementing kalman filters is
discussed. An embedded system, based on the Linux kernel, which
implementing the integrated system is realized and targeting into a
single-board computer as the on-board computer of an UAV. A ground station,
utilizing the object-oriented programming, is also developed to monitor the
status of the UAV.
The accompanied CD-ROM contains the computer codes of Matlab
m-files and OBC program, test data from ground tests, and communication
protocols.

目  錄
致謝......................................................................................................I
中文摘要..............................................................................................II
英文摘要.............................................................................................III
目  錄	IV
圖目錄	VII
表目錄	IX
第一章 序論	1
1.1. 研究動機與目的	1
1.2. 研究方法	2
1.3. 論文架構	3
第二章 慣性導航系統	4
2.1 座標系統	4
2.2 尤拉角與四元素	7
2.3 慣性導航系統運動方程式	8
2.4 慣性導航系統誤差方程式	9
第三章 GPS/INS整合導航	12
3.1 全球定位系統	12
3.2 載波相位	15
3.3 SiRf Protocol	17
第四章 使用卡曼濾波器整合導航	19
4.1 使用卡曼濾波器的問題	19
4.2 卡曼濾波的穩定性	19
4.3 強跟蹤濾波	20
4.4 Sage-Husa自適應濾波	20
4.5 改良的自適應濾波	22
第五章 自我初始誤差校正fdgdx	23
5.1 初始化地面粗對準校正	23
5.2 飛行中校正	26
5.3 程式模擬分析與討論	27
5.3.1 變數定義與副程式定義	28
5.3.2 導航運算流程	31
第六章 導航系統之實體化	39
6.1 硬體架構	40
6.2 軟體架構	49
6.2.1 多執行緒	50
6.2.2 Linux的輸出與輸入	52
6.3 建構嵌入式Linux發展環境	53
6.4 建構目標系統	56
6.5 地面站監控系統	59
6.5.1 物件導向	62
6.5.2 虛擬飛機	67
第七章 實驗結果與分析	76
7.1 道路導航實驗	76
第八章 結論與未來展望	92
參考文獻	94
附錄A SiRf Binary Protocol	96
附錄B 機載電腦與地面站通訊封包規格	98
附錄C 三軸電子羅盤TCM 2.6 Manual	98
附錄D 虛擬飛機物件結構體定義	98

圖目錄
圖 2 1地固座標	5
圖 2 2導航座標	6
圖 4 1適應窗示意圖	21
圖 5 1鬆散式整合架構	24
圖 5 2 整合導航系統模擬程式計算流程	28
圖 5 3 導航副程式運算流程	31
圖 5 4實際量測慣性元件雜訊值	34
圖 5 5模擬程式運作畫面	35
圖 5 6位置模擬結果	37
圖 5 7速度模擬結果	38
圖 5 8姿態模擬結果	38
圖 6 1航電艙配置圖	39
圖 6 2 GPS接收機外觀	40
圖 6 3 IMU300CC實體	42
圖 6 4單版電腦實體外觀圖	44
圖 6 5電子羅盤實體外觀圖	46
圖 6 6建構完成的無人飛機航電系統實體圖	48
圖 6 7航電系統安裝完成之無人飛機實體圖	49
圖 6 8 Linux多執行緒軟體架構方塊圖	52
圖 6 9 Linux顯示偵測到USB讀卡機與網路畫面	54
圖 6 10第一種建立Linux發展環境架構圖	55
圖 6 11第二種建立Linux發展環境架構圖	55
圖 6 12第三種建立Linux發展環境架構圖	56
圖 6 13下載Linux Kernel 2.4.10畫面	58
圖 6 14編譯Linux核心架構選單	58
圖 6 15 OBC開機畫面支援USB裝置	59
圖 6 16傳統地面監控系統架構-單一飛機監控	60
圖 6 17傳統多飛機協同飛行任務	62
圖 6 18單一飛機地面監控軟體系統架構	69
圖 6 19多飛機地面監控軟體系統架構	70
圖 6 20物件導向地面站軟體架構	71
圖 6 21地面站監控系統-主功能表規劃	73
圖 6 22地面站監控系統-導航點規劃介面	73
圖 6 23地面站監控系統-參數監控介面	74
圖 6 24地面站監控系統-飛控，導引參數設定介面	74
圖 6 25地面站監控系統-飛機狀態監控與錯誤處理	75
圖 7 1地面測試架設	76
圖 7 2實驗路徑規劃與量測路徑數據	77
圖 7 3實驗量測3D路徑數據(ECEF座標)	77
圖 7 4實驗數據計算結果-經度	78
圖 7 5實驗數據計算結果-緯度	78
圖 7 6實驗數據計算結果-高度	79
圖 7 7實驗數據量測資料-X軸加速度	80
圖 7 8實驗數據量測資料-Y軸加速度	81
圖 7 9實驗數據量測資料-Z軸加速度	81
圖 7 10實驗數據計算結果-向北速度	83
圖 7 11實驗數據計算結果-向東速度	84
圖 7 12實驗數據計算結果-向下速度	84
圖 7 13實驗數據計算結果-俯仰角	85
圖 7 14實驗數據計算結果-滾轉角	85
圖 7 15實驗數據計算結果-方位角	86
圖 7 16實驗數據量測資料-X軸角速度	82
圖 7 17實驗數據量測資料-Y軸角速度	82
圖 7 18實驗數據量測資料-Z軸角速度	83
圖 7 19實驗數據計算結果-經度	87
圖 7 20實驗數據計算結果-緯度	87
圖 7 21實驗數據計算結果-高度	88
圖 7 22實驗數據計算結果-向北速度	88
圖 7 23實驗數據計算結果-向東速度	89
圖 7 24實驗數據計算結果-向下速度	89
圖 7 25實驗數據計算結果-俯仰角	90
圖 7 26實驗數據計算結果-滾轉角	90
圖 7 27實驗數據計算結果-方位角	91
表目錄
表 6 1 MR-350接收機規格	41
表 6 2 IMU300CC 規格	42
表 6 3單板電腦規格	45
表 6 4 TCM2.6電子羅盤規格	47
表 6 5 TCM2.6電子羅盤訊號線規格	48

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