MEMS-IMU/卫星组合导航技术研究与试验

论文摘要

本文首先系统介绍了国内外惯性技术和微惯性技术、卫星导航技术和基于此的惯性/卫星组合导航技术的发展状况,阐明了本文研究的目的在于对低成本、微型化的MEMS-IMU/卫星组合导航系统的理论和工程应用进行有益的探索,以把握MEMS-IMU/卫星组合导航系统的设计和实现规律。本文在对MEMS-IMU惯性测量单元和当今现有的几种卫星导航系统进行分析介绍的基础上,选用了Crossbow公司生产的IMU400CD-200和一种应用比较成熟且具有代表性的GPS/GLONASS双系统OEM板接收机GG16,以它们为例进行了具体组合导航系统的设计和实现研究。在此基础上,探讨了组合系统的捷联惯导解算算法、初始对准方法、组合系统误差模型和组合卡尔曼滤波解算等相关问题。并结合实际情况,对相关算法进行了改进和优化,为的是使其更好的满足系统设计的要求。具体就是:在MEMS-IMU导航解算算法方面,提出了一种新的姿态更新算法;在初始对准方面,对实际应用的对准方法进行了优化,成功利用了卫星导航系统进行方位辅助对准;在组合滤波方面,对系统误差模型进行了适当简化,降低了组合系统卡尔曼滤波器的阶次,提高了系统的稳定性和实时性。最后,依据对这些技术的研究,对MEMS-IMU卫星组合导航系统进行了实现,并编制了组合导航软件,软件主要模块包括MEMS-IMU数据实时采集与预处理、卫星接收机数据实时采集与预处理、组合系统初始对准、MEMS-IMU导航解算、组合滤波、数据显示和导航结果图表生成等几个部分。以此为基础,进行了组合系统的静态和动态导航测试,结果显示组合滤波能很好的抑制MEMS-IMU误差的增长,是有效的。在卫星导航数据输出正常的情况下,导航平均精度基本上与卫星导航系统精度持平,但在卫星导航数据输出无效的时间段,导航误差增长迅速。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 惯性导航的原理及其发展状况
• 1.1.2 卫星导航系统发展状况
• 1.1.3 惯性/卫星导航系统发展状况
• 1.2 本文研究的主要内容和意义
• 第二章 MEMS-IMU惯性测量单元、卫星导航系统
• 2.1 MEMS-IMU惯性测量单元
• 2.1.1 简介
• 2.1.2 工作原理和性能指标
• 2.1.3 控制指令
• 2.2 GPS导航系统
• 2.2.1 GPS系统的组成
• 2.2.2 GPS系统的定位原理
• 2.3 GLONASS导航系统
• 2.3.1 GLONASS系统组成及其与GPS系统的差异
• 2.3.2 俄罗斯的GLONASS政策和GLONASS接收机
• 2.4 GG16 GPS/GLONASS OEM接收机
• 2.4.1 简介
• 2.4.2 GG16技术指标
• 2.4.3 输出数据解码和报文分析
• 第三章 MEMS-IMU导航解算算法实现
• 3.1 惯性导航中的地球、重力和坐标系
• 3.1.1 地球的形状和曲率半径
• 3.1.2 地球重力加速度和自转角速度
• 3.1.3 惯性导航常用坐标系定义及其变换
• 3.2 MEMS-IMU导航力学编排方程
• 3.3 捷联惯性导航系统基本算法
• 3.3.1 姿态更新算法
• 3.3.2 速度更新算法
• 3.3.3 位置更新算法
• 3.4 惯性导航初始对准算法
• 3.4.1 解析式粗对准
• 3.4.2 参数辨识精对准
• 3.4.3 实际采用的对准方案
• 第四章 MEMS-IMU/卫星组合导航系统的设计与实现
• 4.1 捷联惯性导航系统误差模型
• 4.2 卫星导航系统误差模型
• 4.3 组合导航系统卡尔曼滤波器的设计
• 4.4 基于简化误差模型的降阶卡尔曼滤波器的设计
• 4.4.1 简化的捷联惯性导航系统误差模型
• 4.4.2 降阶的组合卡尔曼滤波器的设计
• 4.5 组合导航系统软件设计
• 4.5.1 MEMS-IMU数据采集与预处理模块程序设计
• 4.5.2 GG16接收机数据采集与预处理模块程序设计
• 4.5.3 组合导航系统软件实现
• 第五章 组合导航系统试验
• 5.1 MEMS-IMU导航试验
• 5.2 组合系统静态导航试验
• 5.3 组合系统动态导航试验
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历 攻读硕士期间完成的主要工作
• 致谢