基于MEMS-IMU的捷联式惯性导航系统技术与实现研究

摘要

惯性导航技术在军事领域及国民经济中有着广泛的应用。近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术地不断进步，MEMS惯性器件的精度和稳定性逐步提高，基于MEMS-IMU的捷联式惯性导航系统以其成本低、体积小、功耗低的特点成为研究的热点领域。然而，由于MEMS惯性器件的精度较低，由其构成的惯导系统无法长时间单独完成导航定位任务，而引入GPS信号对系统进行误差修正，可以很好的解决这个问题，同时，惯导系统的短时独立导航功能又能弥补GPS信号容易丢失的缺陷。
　　 本文围绕着捷联惯导系统的基本原理及应用展开研究，利用磁强计和GPS辅助MEMS捷联惯导系统提供系统定姿和导航性能。主要研究内容如下：
　　 1.研究了捷联惯导系统的基本工作原理和解算流程，对比分析了捷联惯导系统中三种传统的姿态更新算法，针对工程应用和MEMS陀螺仪的特性，选择了四元数法作为姿态角更新算法。对静止条件下的捷联惯导系统算法进行了理论仿真和误差分析，针对MEMS惯性测量元件误差较大的情况进行了仿真，结果证明MEMS惯性器件无法直接使用传统捷联惯导算法进行导航解算。
　　 2.针对MEMS陀螺仪精度较低的特点，设计了由三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和三轴磁强计构成的组合定姿方案。通过对磁强计和加速度计的观测值进行几何求解获得姿态角，并通过卡尔曼滤波对陀螺仪求出的姿态角进行最优估计。利用Xsens公司的MTi微惯性测量组合系统对原始数据进行采集和处理，验证了该组合定姿方案的实用性。
　　 3.构建了基于MEMS-IMU/磁强计/GPS的松组合导航系统，磁强计和加速度计用来确定载体的初始姿态角，GPS的导航定位信息用来对捷联惯导系统的速度和位置进行误差修正。经过理论仿真证明了该组合方案的可行性，通过跑车实验进一步验证了该组合导航系统具有可靠的导航定位功能。