面向铁路位置网的MEMS-IMU组合导航系统研究与实现

摘要

全球卫星导航系统（GNSS）可以提供长期的高精度导航定位信息，但是受外部环境干扰，会使得定位误差增大，甚至会丢失卫星信号无法进行定位。而捷联惯性导航系统（SINS）不受外部环境干扰，短期内精度高，但是定位误差会随时间传播累积增大，无法长期单独工作。GNSS/SINS组合导航系统既能利用GNSS克服SINS误差累积的问题，又能利用SINS弥补短期内GNSS信号失效的缺点，并且该组合具有低成本、小型化、动态性能好等特点，因此，在军事和民用领域都有很好的应用。本文依托中国科学院STS项目的研究需求，开展了有关MEMS-IMU组合导航系统的研究。 本文首先介绍了捷联惯性导航系统与卫星导航系统的基本工作原理。然后，对MEMS陀螺仪的随机误差补偿方法进行研究，针对MEMS陀螺仪数据会随时间漂移的问题，分析MEMS陀螺仪的随机误差项，建立随机误差的模型，提出了一种改进的解耦自适应卡尔曼滤波算法，对MEMS陀螺仪数据进行降噪处理。通过对采集的MEMS陀螺仪实测数据进行处理与分析，表明所提出的改进算法可以更好地降低MEMS陀螺仪随机噪声。 其次，针对捷联对惯性导航系统长时间单独工作定位结果容易发散的问题，利用捷联惯性导航的系统误差方程，建立系统的状态方程，采用基于间接法的开环式结构卡尔曼滤波算法，进行定位信息融合。在MATLAB中，模拟载体运动轨迹，仿真验证捷联惯性导航系统的导航定位特性。选取不同的初始位置误差，实验结果显示组合导航信息融合算法可以稳定、有效地提高导航性能。此外，通过模拟卫星信号间歇性失效的情形，证明组合导航系统算法具有良好的可行性。 最后，针对铁路位置网的定位需求，本文实现了基于铁路位置信息管理系统框架下的机车车辆位置服务，并对系统定位功能进行了实际测试。实验结果证明系统的定位效果良好，轨迹跟踪可靠，实现了实时返回机车车辆的位置信息。该系统可以为铁路信息管理提供可靠的位置信息服务。

目录

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章 组合导航基本工作原理

2.1 引言

2.2 捷联惯性导航系统

2.3 卫星导航系统

2.4 本章小结

第3章 MEMS陀螺仪随机误差补偿算法研究

3.1 引言

3.2 随机误差分析方法

3.3 随机误差模型建立

3.4 卡尔曼滤波补偿算法研究

3.5 实验及结果分析

3.6 本章小结

第4章 捷联惯导与组合导航算法研究

4.1 引言

4.2 捷联惯性导航算法研究

4.3 组合导航信息融合算法研究

4.4 实验及结果分析

4.5 本章小结

第5章 铁路位置信息管理系统定位模块设计及实现

5.1 引言

5.2系统的架构及功能

5.3 系统定位模块硬件实现

5.4 系统定位模块软件实现

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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