行人导航系统算法研究与应用实现

论文摘要

随着计算机及电子器件的发展,导航技术得到了广泛的应用,从航天、机载到车辆导航,其应用领域逐渐扩大。行人导航作为导航技术应用的新兴领域,正越来越受到各国学者的重视。本文围绕无盲区的行人定位问题展开研究。重点研究了GPS/DR组合导航算法的理论以及实现,并对室内行人导航算法进行了一定的探讨。首先,本文针对DR系统在行人导航中的应用问题展开研究。分析了步行行为对DR系统的影响,研究了利用陀螺输出角速率补偿罗盘量测航向角偏差的航向角修正算法,实现了基于垂直方向加速度变化区间检测技术的行走计步器。在此基础上建立了适用于行人导航的DR系统,较好地解决了DR定位系统在PNS实现中的基本问题。其次,本文对广泛应用于行人导航系统的GPS定位系统在城市中定位可靠性和精度进行了分析,研究了基于HDOP与速度检测技术的GPS粗差检测和剔除算法,有效地提高了GPS在城市中定位的可靠性,为GPS/DR组合导航提供更可靠的观测信息。再次,本文通过分析行人导航系统的DR误差来源,建立了GPS/DR组合导航模型,对GPS/DR组合导航在行人导航中的应用进行研究。并结合GPS粗差检测及剔除算法研究了基于Sage自适应滤波观测噪声协方差阵技术的自适应估计滤波算法、抗差卡尔曼滤波算法,获得了精度达5m的导航信息。本文对行人导航室内定位问题进行了研究,利用超声传感器实现了基于TDOA的定位系统,并对TDOA/DR室内高精度组合导航算法进行了研究和仿真,获得了精度达10cm的位置信息,验证了该方法的有效性。通过本文的研究,实现了行人室内室外无盲区、高精度定位。通过物理仿真,验证了本文GPS/DR组合导航算法配合数字地图,可获得精度不低于3m的定位信息。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 行人导航系统的发展与现状
• 1.2.1 行人导航系统在国内外的发展状况
• 1.2.2 行人定位技术现状
• 1.2.3 行人导航系统的发展趋势
• 1.3 行人导航系统方案
• 1.4 本文主要研究内容与论文结构编排
• 第二章 基于DR 导航算法的PNS 系统研究
• 2.1 引言
• 2.2 行人导航系统航位推算算法
• 2.3 行走行为对DR 的影响分析及解决途径
• 2.3.1 步行行为对位移量测量的影响及解决方案
• 2.3.2 步行行为对航向角及角速率测量的影响及解决方案
• 2.4 基于加速度计的PNS 计步器算法研究及实现
• 2.4.1 计步参数的选择
• 2.4.2 计步器设计与实现
• 2.4.3 计步器精度器测试与结果分析
• 2.5 PNS 航向角前端修正算法研究及实现
• 2.5.1 身体摆动对航向角测量影响的消除
• 2.5.2 航向角修正算法
• 2.5.3 航向角修正算法仿真与分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 GPS 定位性能分析以及粗差预处理
• 3.1 引言
• 3.2 GPS 定位性能分析
• 3.2.1 城市中GPS 定位误差分析
• 3.2.2 城市中GPS 信号性能测试
• 3.3 GPS 信号粗差检测与剔除
• 3.3.1 基于HDOP 的粗差剔除方法
• 3.3.2 基于速度检测的粗差剔除算法
• 3.3.3 基于HDOP 与速度检测的GPS 粗差处理算法
• 3.4 GPS 粗差检测与剔除算法仿真试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 GPS/DR 高精度组合导航算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 GPS/DR 组合导航方案
• 4.3 GPS/DR 组合基本卡尔曼滤波算法
• 4.3.1 系统误差分析
• 4.3.2 建立卡尔曼滤波模型
• 4.3.3 卡尔曼滤波算法存在的问题
• 4.4 观测误差协方差估计自适应卡尔曼滤波算法研究
• 4.4.1 观测噪声协方差阵自适应估计算法
• 4.4.2 观测噪声误差偏差的拟合
• 4.4.3 基于预测残差的观测噪声协方差估计自适应滤波算法
• 4.5 抗差滤波算法在PNS 中的应用研究
• 4.5.1 抗差滤波算法理论
• 4.5.2 抗差滤波算法的实现
• 4.6 组合导航解算结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于TDOA/DR 组合的PNS 室内定位算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于超声传感器的TDOA 室内行人定位算法
• 5.3 TDOA/DR 组合导航算法
• 5.3.1 TDOA/DR 组合导航方案
• 5.3.2 TDOA/DR 组合导航算法
• 5.4 TDOA/DR 组合导航算法仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文主要工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文