双MIMU/磁力计单兵导航技术研究

摘要

单兵导航系统（Pedestrain Navigation system，PNS），主要作用是为单兵系统作战人员在未知或已知环境下提供实时定位与导航。应对突发事件过程中，在无法预知周围动态环境的条件下，精确的导航定位对于快速反应部队顺利执行任务具有重大意义。
　　在提高单兵导航精度的研究发展过程中，主要思路多为使用主导航器件与其它辅助设备配合的方法。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）作为高精度卫星导航的代表，顺理成章地成为了单兵导航系统的理想选择之一，除此之外辅助系统还包括WiFi、地图匹配以及单目摄像机等等。但是无论是 GPS、WiFi还是单目摄像机等都要受外界条件的限制，即当单兵处于有遮蔽物的复杂环境或者在野外以及光线不足等情况下，相应的导航方案均会暴露出较大弊端，导致精度波动大，导航质量也明显下降。因此为了使应用环境不受限制，满足关于单兵导航的不同需求，研究采用无外界辅助信息情况下的短时完全自主式单兵导航技术方案具有重大意义。
　　完全自主式单兵导航系统多采用基于微机电技术（Micro Electro Mechanical System，MEMS）的微惯性测量单元（Micro Inertial Measurement Unit，MIMU）作为主要传感器，并将 MIMU固定在鞋上，利用零速校正对传感器误差进行修正。针对零速校正观测信息不足（天向陀螺可观测性差），导致姿态精度下降，进而导致定位精度下降的问题，本文采用一种基于静态磁场的MIMU/磁力计误差修正法。在载体运动过程中，通过比对静态磁场时刻的磁力计沿载体轴输出量的变化率与预测值之差，构造观测量，为MIMU提供额外的导航信息，对MEMS陀螺误差参数进行估计，最终实现提高系统定位精度的目的。使得低精度的MIMU导航方案在无卫星等辅助信号时工作更为可靠，可利用性大大增加。
　　由于无外界辅助信息的自主式单兵导航系统对比非自主式在精度上并没有明显优势，因此从增加传感器数量的角度出发，本文采用了利用信息融合进行相互校正的双MIMU单兵导航技术方案，以对导航子系统的数据综合处理来达到进一步提高精度的目的。即单兵脚部会负载两个MIMU（包含MEMS陀螺、MEMS加速度计、MEMS磁力计），根据所设计的导航系统在物理空间的相对位置关系，构造二阶非线性等式约束方程，通过非线性等式约束滤波算法对单兵导航误差进行二次修正，减小低精度 MIMU系统的累积误差，最终实现定位精度的提高。
　　搭建真实单兵导航系统，设计单兵直行、闭合矩形等定位试验，试验结果表明，在短时间内系统的定位效果良好，可以满足无外界辅助信息时的单兵定位需求，验证了基于MIMU单兵导航技术研究方案的有效性与可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 单兵导航系统技术研究现状

1.3 基于MIMU微惯性测量单元的单兵导航技术研究

1.4 论文主要内容和结构安排

第2章 单兵导航系统基础理论

2.1 单兵导航系统解算基本原理

2.2 单兵姿态更新算法

2.3 地磁场与磁力计原理

2.4 基于卡尔曼滤波的零速校正

2.5 本章小结

第3章 MIMU/磁力计导航算法研究

3.1 环境对系统的影响

3.2 基于静态磁场的MIMU/磁力计导航方案

3.3 MIMU/磁力计方案验证

3.4 本章小结

第4章 基于等式约束卡尔曼的双MIMU单兵系统

4.1 等式约束卡尔曼滤波

4.2 双MIMU单兵导航系统

4.3 双MIMU方案验证

4.4 本章小结

第5章 单兵导航试验验证

5.1 单兵导航试验系统

5.2 单兵导航系统试验

5.3 试验结果及其分析

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