基于MEMS惯性组件的INS/GPS组合导航定位定姿的研究

摘要

本文针对基于MEMS惯性组件的INS/GPS组合导航定位定姿的方法进行了研究，主要完成的工作和贡献如下：
　　1、系统分析了基于MEMS的惯性导航系统、全球卫星导航系统及组合导航系统的原理。从原理上了解了惯性导航和GPS系统各自的优缺点，得到将二者组合在一起可以提高导航精度的结论；
　　2、对惯性导航基本解算方法及误差模型进行了研究，包括姿态矩阵计算方法，位置、速度的更新算法等；并根据GPS的误差源，推导出了关于伪距、伪距率的误差方程；
　　3、对组合导航系统不同的组合方式进行了研究，推导了松耦合与紧耦合的状态方程与观测方程，并通过MATLAB进行仿真，结果表明紧耦合的导航精度高于松耦合；
　　4、深入研究了卡尔曼滤波在组合导航系统中的应用，最终选取扩展卡尔曼滤波作为本组合导航的滤波方法，选取以陀螺仪、加速度计等15维惯性传感器的误差为状态变量，将惯导和GPS的速度和位置信息之差作为观测量，在速度和位置的组合方式下对组合导航进行扩展卡尔曼滤波；
　　5、通过惯导及GPS测试实验可知，惯导的定位定姿误差会随着时间的增长而增大，在无遮挡和无外界干扰的条件下，GPS的稳定性和精度是比较可靠的；将二者结合起来进行了半实物组合导航实验，实验验证组合导航算法有效的抑制了陀螺仪、加速度计的随机漂移以及纯惯导系统误差的发散，组合导航极大地提高了导航系统的姿态角、经纬度、位置、速度误差精度。从而验证了本文所采用的松耦合组合方式卡尔曼滤波组合导航算法的可行性。
　　综上所述，本文对基于MEMS惯性组件的INS/GPS组合导航系统进行了研究，利用实验室自主研制的组合导航系统样机进行了实验和仿真分析，验证了本文采用的组合导航算法的可行性。但组合导航系统的精度仍有待于提高，在以后的研究中还需要改进的地方如下：
　　1、在组合方式上，可以将本文采用的卡尔曼滤波开环校正方案改为闭环校正方案，确保MIMU力学编排中的误差始终为小量，或者可以采用开环和闭环混合校正方案；
　　2、在半实物导航实验中，组合导航系统由外界环境而产生的系统噪声和观测噪声不是单纯的白噪声，其统计特性也不容易获取，把INS和GPS数据的噪声近似为白噪声是有误差的。所以，以后的研究可以试着采用其他的卡尔曼滤波算法进一步降低系统误差，改善系统精度；
　　3、本实验所用程序代码不够优化和简练，影响导航系统的解算速度。以后的工作中需要优化程序各个模块的程序代码，使组合导航系统的实时性更高，更可靠。

目录

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状和发展

1.3 本文的主要内容和章节安排

第2章 组合导航定位系统基础

2.1 惯性导航系统的基本原理

2.2 惯导系统基本算法

2.3 惯导系统的误差模型

2.4 全球定位系统（GPS）

2.5 本章小结

第3章 组合导航算法研究

3.1 INS/GPS组合导航滤波器的设计

3.2 卡尔曼滤波

3.3 松耦合算法

3.4 紧耦合算法

3.5 本章小结

第4章 组合导航系统硬件和软件设计方案

4.1 INS/GPS组合导航系统方案概述

4.2 组合导航系统硬件设计

4.3 系统的软件设计

4.4 小结

第5章 INS/GPS组合导航系统实验和仿真

5.1 组合导航系统的仿真研究

5.2 组合导航系统测试实验

5.3 半实物导航实验

5.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢