基于车载平台的北斗/SINS紧组合导航系统的研究与实现

论文摘要

导航定位的稳定性、实时性、准确性始终是衡量导航系统的基础而关键的指标,如何能够在复杂条件下保持导航系统长期的稳定性、实时性、准确性受到了诸多学者的广泛关注。本文立足于实践,对工程中最易实现的北斗/SINS的松组合方式进行了实验与研究,列举了松组合方式在工程中的诸多不足之处,并以此为立足点构建了北斗/SINS紧组合导航的软件与硬件系统,对松组合方式的不足之处采用了诸多改造方法。首先,针对单独的北斗系统与SINS因遮挡或长期误差积累而导致组合系统误差快速增长的问题,尝试了NW-EKF的方法,该方法将北斗系统与SINS定位精度的两个重要指标——GDOP与陀螺漂移率——归一化为同一量纲,进而转化为权重因子作为EKF置信某个子系统的依据。实验表明,该方法能够有效地提高市区多径干扰的环境下北斗/SINS紧组合导航系统的定位精度,定位曲线更加平滑。随后,针对传统最优GDOP选星法与最大四面体选星方法在实时性方面的不足,采用了基于EICH方法的快速次优选星算法,该算法在静态条件下能够有效减少初次选星的时间,进而减少系统初始化的时间；动态选星同样基于EICH方法,并进一步加入了SINS的辅助：在动态环境下利用SINS预测并暂时代替即将失锁的最佳星座。实验显示综合应用EICH选星与SINS辅助选星能够有效提高紧组合系统的实时性与稳定性。最后,本文设计了北斗/SINS紧组合导航的硬件与软件平台,并针对不同的环境为系统的硬件平台设计了人力车、电动车与机动车等多种载体,扩展了北斗/SINS紧组合导航的应用场合；软件方面采用移动计算机作为软件接收机来代替实体接收机进行解算,算法中加入了NW-EKF方法与EICH选星方法,并进行了大规模车载导航实验,实验结果表明,本文所采用的基于NW-EKF与EICH选星方法的北斗/SINS紧组合导航系统能够长期地、准确、实时、稳定地输出导航信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景意义
• 1.1.1 单一导航系统的不足
• 1.1.2 北斗/INS组合导航的意义
• 1.2 导航技术的发展及研究现状
• 1.2.1 全球卫星导航系统
• 1.2.2 惯性导航系统
• 1.2.3 GNSS/INS组合导航技术的发展
• 1.3 本文结构与贡献
• 1.3.1 论文结构
• 1.3.2 贡献与创新
• 第2章 北斗/SINS组合导航的原理
• 2.1 北斗2代无源卫星定位系统
• 2.1.1 无源伪距定位原理
• 2.1.2 卫星定位中的常见坐标系
• 2.2 捷联式惯性导航系统
• 2.2.1 陀螺仪与姿态转移矩阵
• 2.2.2 加速度计与比力
• 2.2.3 捷联式惯性导航工作流程
• 2.3 北斗/SINS松组合导航系统的不足之处
• 2.3.1 单个系统低精度时的准确性问题
• 2.3.2 导航系统切换时的实时性问题
• 2.3.3 动态环境下的稳定性问题
• 2.4 本章小结
• 第3章 组合导航数据融合算法研究及改进
• 3.1 GDOP权重因子
• 3.1.1 GDOP的意义
• 3.1.2 GDOP的理论下界
• 3.2 SINS权重因子
• 3.2.1 陀螺漂移与加速度计零位偏移实验
• 3.2.2 数据分析
• 3.3 引入归一化权重的滤波方法
• 3.3.1 北斗系统与SINS的权重
• 3.3.2 NW-EKF的实现
• 3.4 实验数据与分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 INS增强北斗跟踪卫星算法设计
• 4.1 GDOP与选星
• 4.1.1 凸包与次优选星
• 4.1.2 增量式扩展凸包算法
• 4.2 基于EICH的快速次优选星算法
• 4.2.1 静态选星设计
• 4.2.2 动态选星设计
• 4.3 SINS增强跟踪卫星设计
• 4.3.1 SINS增强选星方法
• 4.3.2 SINS增强选星算法流程
• 4.4 实验数据与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 北斗/SINS紧组合导航系统的实现
• 5.1 组合导航系统的构建
• 5.1.1 硬件平台设计
• 5.1.2 软件接收机模块
• 5.2 车载实验设计
• 5.2.1 实验环境与参数
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 实验数据与分析
• 5.3.1 NW-EKF改进效果
• 5.3.2 EICH、SINS增强选星与NW-EKF综合改进效果
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文与获奖情况