MEMS單兵導(dǎo)航系統(tǒng)強(qiáng)跟蹤改進(jìn)算法研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）具有小尺寸、輕重量和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)勢進(jìn)一步促進(jìn)了單兵導(dǎo)航系統(tǒng)（Pedestrian Navigation System，PNS）的發(fā)展。目前，基于MEMS的單兵導(dǎo)航系統(tǒng)已逐漸成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的單兵導(dǎo)航主要依靠MEMS/GPS（Global Positioning System）的組合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位功能。但GPS在室內(nèi)、峽谷等有遮蔽物的環(huán)境中極易發(fā)

2、生信號缺失，從而無法為單兵提供準(zhǔn)確連續(xù)的定位服務(wù)。此外，基于地圖匹配、攝像機(jī)、射頻信號及WiFi的輔助方案也被提出。這些方法雖能提高系統(tǒng)的定位精度，但增加了系統(tǒng)成本，而且這些外界信號源不是普遍存在的，致使其使用環(huán)境有一定的限制。因此，為實(shí)現(xiàn)單兵的自主定位功能，滿足單兵導(dǎo)航的不同需求，研究無源信號情況下的單兵自主定位方法意義重大。對于自主式單兵導(dǎo)航系統(tǒng)，將由MEMS傳感器構(gòu)成的微慣性測量單元（Micro Inertial Measurem

3、ent Unit，MIMU）放置于單兵腳部。利用單兵的步態(tài)特性，在腳步停止時采用零速校正算法來校正MIMU的定位誤差。引入零速校正算法雖然能夠有效抑制MIMU的導(dǎo)航誤差漂移，但當(dāng)以速度誤差為觀測量時，航向誤差的不可觀測性將進(jìn)一步導(dǎo)致單兵導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤定位誤差。為提高單兵導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤定位精度，解決航向誤差不可觀測引起的誤差漂移問題，可充分利用磁強(qiáng)計提供的航向信息，以磁航向作為姿態(tài)基準(zhǔn)對導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行修正。
　　本文采用一種基于多觀測

4、量的誤差修正算法，在零速檢測的基礎(chǔ)上，該算法將MEMS加速度計、陀螺儀和磁強(qiáng)計的信息進(jìn)行融合，增加誤差四元數(shù)觀測量，并利用卡爾曼濾波器估計導(dǎo)航參數(shù)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可觀測性，提高單兵的跟蹤定位精度。在室內(nèi)等磁干擾環(huán)境中，需充分考慮磁擾動的影響，故磁強(qiáng)計無法作為姿態(tài)角的參考源。為提高系統(tǒng)觀測量的可信度，采用基于弱磁場檢測的改進(jìn)導(dǎo)航算法對單兵進(jìn)行導(dǎo)航定位，以減小單兵導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤定位誤差。在弱磁場的條件下，磁場強(qiáng)度誤差和其變化率能夠反映系統(tǒng)的姿

5、態(tài)角誤差和陀螺測量誤差，故可利用磁強(qiáng)計輸出的磁場強(qiáng)度作為系統(tǒng)觀測信息的參考源，以導(dǎo)航坐標(biāo)系下的磁場強(qiáng)度誤差和載體坐標(biāo)系下的磁場強(qiáng)度誤差變化率為觀測量，從而為單兵導(dǎo)航系統(tǒng)提供輔助信息，增強(qiáng)系統(tǒng)觀測量可信度，提高單兵導(dǎo)航功能系統(tǒng)定位精度。最后，利用荷蘭Xsens公司的MIMU進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證算法的有效性。分別進(jìn)行了室外和室內(nèi)試驗，并選取不同的運(yùn)動路徑，以驗證算法的有效性和適用性。試驗結(jié)果證明在相應(yīng)環(huán)境下，該算法能夠減小單兵的跟蹤定位誤差，抑