MEMS单兵导航系统强跟踪改进算法研究

摘要

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）具有小尺寸、轻重量和低功耗等优点，其优势进一步促进了单兵导航系统（Pedestrian Navigation System，PNS）的发展。目前，基于MEMS的单兵导航系统已逐渐成为研究热点。现有的单兵导航主要依靠MEMS/GPS（Global Positioning System）的组合系统实现定位功能。但GPS在室内、峡谷等有遮蔽物的环境中极易发生信号缺失，从而无法为单兵提供准确连续的定位服务。此外，基于地图匹配、摄像机、射频信号及WiFi的辅助方案也被提出。这些方法虽能提高系统的定位精度，但增加了系统成本，而且这些外界信号源不是普遍存在的，致使其使用环境有一定的限制。因此，为实现单兵的自主定位功能，满足单兵导航的不同需求，研究无源信号情况下的单兵自主定位方法意义重大。对于自主式单兵导航系统，将由MEMS传感器构成的微惯性测量单元（Micro Inertial Measurement Unit，MIMU）放置于单兵脚部。利用单兵的步态特性，在脚步停止时采用零速校正算法来校正MIMU的定位误差。引入零速校正算法虽然能够有效抑制MIMU的导航误差漂移，但当以速度误差为观测量时，航向误差的不可观测性将进一步导致单兵导航系统的跟踪定位误差。为提高单兵导航系统的跟踪定位精度，解决航向误差不可观测引起的误差漂移问题，可充分利用磁强计提供的航向信息，以磁航向作为姿态基准对导航参数进行修正。
　　本文采用一种基于多观测量的误差修正算法，在零速检测的基础上，该算法将MEMS加速度计、陀螺仪和磁强计的信息进行融合，增加误差四元数观测量，并利用卡尔曼滤波器估计导航参数，以增强系统的可观测性，提高单兵的跟踪定位精度。在室内等磁干扰环境中，需充分考虑磁扰动的影响，故磁强计无法作为姿态角的参考源。为提高系统观测量的可信度，采用基于弱磁场检测的改进导航算法对单兵进行导航定位，以减小单兵导航系统的跟踪定位误差。在弱磁场的条件下，磁场强度误差和其变化率能够反映系统的姿态角误差和陀螺测量误差，故可利用磁强计输出的磁场强度作为系统观测信息的参考源，以导航坐标系下的磁场强度误差和载体坐标系下的磁场强度误差变化率为观测量，从而为单兵导航系统提供辅助信息，增强系统观测量可信度，提高单兵导航功能系统定位精度。最后，利用荷兰Xsens公司的MIMU进行现场试验验证算法的有效性。分别进行了室外和室内试验，并选取不同的运动路径，以验证算法的有效性和适用性。试验结果证明在相应环境下，该算法能够减小单兵的跟踪定位误差，抑制导航误差漂移。

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第1章 绪论

1.1 论文研究的背景、目的和意义

1.2 MEMS传感器的研究现状

1.3 基于MEMS的单兵导航系统研究现状

1.4 论文主要内容

第2章 单兵导航系统基本知识

2.1 单兵导航系统基本原理

2.2 单兵导航系统导航算法

2.3单兵导航系统传统误差校正算法

2.4 本章小结

第3章 基于多观测量的单兵系统误差修正算法

3.1 问题的提出

3.2 基于多观测量的误差修正算法

3.3 系统离散化及算法实现

3.4 多观测量误差修正算法验证

3.5 本章小结

第4章 基于弱磁场检测的改进导航算法研究

4.1 环境对磁场的影响

4.2 基于极大似然方法的弱磁场判据

4.3 弱磁场下的改进导航算法研究

4.4 基于弱磁场检测的改进导航算法验证

4.5 本章小结

第5章 MEMS单兵导航系统定位试验

5.1 单兵导航试验系统介绍

5.2 单兵导航系统试验设计

5.3 试验验证结果及分析

5.4 本章小结

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