GNSS/MIMU组合导航系统动态初始对准及实时信息融合方法研究

论文摘要

本文以GNSS/MIMU组合导航系统为研究对象,对GNSS/MIMU组合导航初始对准的理论和算法进行了验证及研究,重点验证了GNSS/MIMU动基座初始对准方法和系统动态可观测性分析方法;研究了基于可观测性改进Kalman滤波方法以及改进实际系统实时性的Kalman滤波方法。首先,针对低精度、低成本MEMS-IMU初始对准滤波初值确定难题,采用了GNSS双历元辅助MIMU解析动态粗对准方法,利用GNSS测量的速度信息计算导航坐标系中的加速度和比力,与捷联惯导系统输出的比力信息相比较,并假设体坐标系中侧滑速度为零,从而计算得到载体姿态,实现了快速精确解析求解MEMS-IMU初始姿态角信息。车载和机载试验结果表明,该方法精度较高,且对载体动态性限制较小,可为精对准提供良好初值。其次,基于动态粗对准方法提供的初始值,本文研究了GNSS/MIMU组合导航系统初始精对准方法。采用“速度匹配+位置更新”传递对准方案实现动态初始精对准过程。车载和机载试验结果表明,相对于GNSS/FIMU组合导航结果且考虑到MIMU较差的性能,基于粗对准结果的精对准过程已达到较高收敛精度（?2?）和较短收敛时间（?100s）。然后,针对状态变量合理选取、系统性能提升等问题,研究了可观测性分析理论。通过试验验证两种可观测度分析方法在动态条件下的有效性,试验结果表明:基于最小二乘估计方差阵的动态可观测度分析方法计算量小且分析结果与实际情况相符。本文提出基于可观测性分析的改进Kalman滤波方法,旨在提高初始精对准精度、减小对准时间并改善MIMU独立工作性能,并进行了车载和机载试验。试验结果表明,当系统状态完全可观时,该方法与经典EKF等价;当系统不完全可观时,该方法能够改善某些状态量的滤波精度和稳定性。最后,针对构建实际GNSS/MIMU组合导航系统时,由于GNSS差分信息传输延时而产生的组合导航输出延迟问题,提出了延时GNSS信息实时修正算法,通过车载试验数据仿真分析,表明该方法可实现导航信息的实时输出,同时保持较高精度。

论文目录

• 缩略词
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 GNSS、SINS及其组合导航技术研究现状
• 1.2.1 GNSS导航技术研究现状
• 1.2.2 SINS导航技术研究现状
• 1.2.3 GNSS/SINS组合导航技术研究现状
• 1.3 GNSS/MIMU高精度组合导航亟待解决的关键问题
• 1.4 论文研究方法和内容安排
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 论文研究内容及结构
• 第二章 GNSS/MIMU组合导航数学建模
• 2.1 常用坐标系定义及其转换
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 坐标系转换
• 2.2 组合导航数学基础
• 2.2.1 向量与矩阵方法
• 2.2.2 四元数方法
• 2.2.3 姿态表达式
• 2.2.4 扩展卡尔曼滤波EKF信息融合方法
• 2.3 GNSS/MIMU组合导航系统动力学模型
• 2.3.1 捷联惯导系统力学编排
• 2.3.2 导航方程解算方法
• 2.4 GNSS/MIMU组合导航系统误差方程
• 2.5 GNSS/MIMU组合导航系统观测方程
• 2.5.1 伪距单点定位信息观测方程
• 2.5.2 载波相位差分精密相对定位信息观测方程
• 2.5.3 伪距变率单点定速信息观测方程
• 2.5.4 误差量测方程
• 2.6 本章小结
• 第三章 GNSS/MIMU组合导航系统动态初始粗对准方法研究
• 3.1 动态粗对准方法研究现状分析
• 3.2 GNSS双历元辅助MIMU动态粗对准方法
• 3.3 粗对准解析求解方法
• 3.4 试验验证
• 3.4.1 车载试验
• 3.4.2 机载试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 GNSS/MIMU组合导航系统动态初始精对准方法研究
• 4.1 精对准总体方案设计
• 4.2 GNSS/MIMU组合导航系统动态可观测性分析
• 4.2.1 基于可观测性矩阵奇异值分解的可观测度分析方法
• 4.2.2 基于最小二乘估计方差阵的动态可观测度分析方法
• 4.2.3 分析方法试验评估
• 4.3 基于可观测性分析的改进Kalman滤波方法
• 4.3.1 改进方法建模
• 4.3.2 车载试验
• 4.3.3 机载试验
• 4.4 本章小结
• 第五章 GNSS/MIMU组合导航实时信息融合方法研究
• 5.1 问题的提出
• 5.2 延时GNSS信息实时修正算法
• 5.3 实时修正导航算法实现
• 5.4 车载试验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要工作和结论
• 6.2 进一步研究的建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果