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工学硕士学位论文
车载 MEMS/GPS 紧组合导航系统研究
硕士研究生:刘海峰
指导教师:徐定杰 教授学位级别:工学硕士
学科、专业:导航、制导与控制所在单位:自动化学院论文提交日期:2013 年 12 月 24 日论文答辩日期:2014 年 3 月 6 日学位授予单位:哈尔滨工程大学
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A Dissertation for the Degree of M. Eng
Tight Intrgration Navigation System for Land Vehicle
Candidate: Liu Haifeng
Supervisor: Prof. Xu Dingjie
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Navigation Guidance and Control
Date of Submission: December, 2013
Date of Oral Examination: March, 2014
University: Harbin Engineering University
哈尔滨工程大学学位论文原创性声明
本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者(签字):
日期: 年 月 日
哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明
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本论文(□在授予学位后即可□在授予学位 12 个月后□解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。
作者(签字): 导师(签字):
日期: 年 月 日 年 月 日
车载 MEMS/GPS 紧组合导航系统研究
摘 要
在远距离、长航时环境下,要求车载导航系统连续稳定地输出高精度的定位结果。当可见卫星数目不足时,GPS(Global Positioning system)无法进行正常的位置和速度解算。低成本 MEMS(Strapdown Inertial Navigation)惯性器件组成的捷联惯导系统
(Strapdown Inertial Navigation System,SINS),误差累积非常迅速,无法进行长时间连续定位。MEMS/GPS 紧组合导航可以解决可见卫星数目不足的问题,然而传统的 MEMS/GPS 紧组合导航系统反馈校正姿态角误差的效果不佳。低成本 MEMS 惯性器件组成的捷联惯导系统误差很大,这导致 MEMS/GPS 紧组合导航系统的姿态角误差持续而且快速的累积,不仅影响了紧组合系统的精度,而且最终使紧组合导航滤波器发散。第二章主要介绍了 GPS 与 SINS 定位的原理和误差特性,以及近年来发展迅猛的
MEMS 惯性器件特点。通过对两种导航系统的仿真对比,直观地展现了二者的优缺点以及互补性。第三章介绍了扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)的原理, 组合导航开环与闭环两种结构以及松组合与紧组合的概念。设计了两组对照试验,开环结构紧组合与闭环结构紧组合的对照以及四颗可见星与三颗可见星的紧组合导航对照。对照试验结果表明闭环紧组合导航在长航时条件下相对开环结构具有明显的优势,并且,在可见星不足时,紧组合系统仍然能输出较高精度的定位结果。根据车辆在行驶过程中的特性,文章在第四章提出了一种 MEMS/GPS 紧组合导航姿态角反馈校正算法, 利用紧组合反馈校正后 SINS 输出的速度确定的航向角与俯仰角,得到姿态角的量测值, 进而建立起姿态角的量测方程,然后采用简化的 Sage-Husa 自适应滤波算法来滤波。最后通过一组仿真实验来验证算法的性能,实验结果表明该算法相对于传统算法能提高紧组合导航的输出精度,而且导航滤波器长时间内保持稳定,没有发散迹象。第五章详细介绍了 MEMS/GPS 紧