近年来,随着物联网技术的发展以及人们对位置服务需求的激增,室内定位已成为工业界和学术界的研究热点,相关定位定向问题被称为卫星导航与定位的最后一公里难题。室内定位总的来讲是确定人或物体在卫星信号拒止环境下的姿态、速度、位置等信息,属于导航、测绘、自动化、电子和通信等多学科交叉领域,其战略地位显著如单兵作战、消防演习、矿井营救等。已有的定位定向技术主要分为四类,即基于无线信号交汇的定位定向技术,基于数据库的匹配定位技术,基于惯性传感器的航迹推算技术,以及基于信息融合的组合定位定向技术。然而传统的方法需要提前搭建无线传感网络或需要人工现场勘测,成本高、对环境依赖性强,自主性差;室内环境下无线信号衰减严重并存在多径效应;组网故障、通信故障、电源故障等各种故障源可能会导致传感器数据质量问题,从而使定位定向系统的底层数据不可靠,进而恶化定位定向精度;通常室内人员的运动是动态的、复杂的,缺少与运动状态结合的自适应位姿估计方法;室内电磁环境复杂,缺少有效的基于地磁的定位定向方法等等。上述原因使得至今还没有通用的解决方法以提供低成本、少外设、强鲁棒、高精度的定位定向服务。本文选题来源于企、事业单位委托项目,属于应用基础研究类。考虑到各种技术均有各自的优缺点以及最适合的应用场景,难以用单独一种技术提供可靠的定位定向服务。这里利用惯性传感器航迹推算具有的自主性、隐蔽性、全天候、信息全等优点,以多源信息融合理论为切入点,将多个互补的或冗余的信息源进行有机组合以获得优于单一信息源定位定向的性能。本文围绕室内人员定位定向的关键技术问题,基于磁力计、加速度计、速率陀螺(Magnetometer,Accelerometer and Rate Gyro,MARG),和广义可感知校准源(General Sensory Calibration Source,GSCS),开展低成本、少外设、强鲁棒、高精度的室内人员自主定位定向方法研究,主要研究工作和创新成果总结如下:(1)低成本MARG传感器的关键指标协同优化研究。为改善低成本惯性传感器的性能,对其多个关键指标进行协同优化研究,提出了三重自适应方法。该方法将传感器量程,采样频率和输出频率有机结合在一起,实现分辨率,效率和功率等指标的协同优化。所提出的方法改善了传感器原始数据的精度,提高了定位定向系统的续航能力。(2)MARG传感器的数据质量控制研究。针对MARG传感器的各种数据质量问题,提出一种在线的与可信的数据完好性监控方法。首先将数据故障建模为格式故障,时序故障和值故障,并提出几种启发式规则来检测和隔离数据故障;然后提出双重可变长度数据监控窗口机制,以提高数据恢复的可信度。最后通过一系列实验验证了所提出方法的性能。测试结果表明所提出方法可以动态权衡实时性,计算复杂度和可信度,有效改善基于MARG传感器搭建的定位定向系统的数据质量。(3)基于MARG传感器与GSCS的融合滤波与位姿校准研究。基于MARG传感器和GSCS分别提出半解析定向方法和自适应互补滤波方法:其中半解析定向方法是将磁失真判断、走廊结构的几何关系用于室内基于地磁的定向;所提出的自适应互补滤波方法是将MARG传感器的互补信息与运动状态信息进行融合,通过对运动状态的测量和估计,实现了搜索步长和融合参数的自适应调节。实验结果表明所提出的方法可实现室内人员高精度、高鲁棒的定位定向。(4)室内磁地图的快速建模与匹配定位研究。针对磁地图的测绘过程费时费力,其更新和维护难度大、费用高,基于磁地图的匹配定位方法复杂、精度低,定位结果不可信等问题,开展磁地图的快速建模与可信定位方法研究,提出了基于蛇形航迹推算的室内磁地图的快速建模方法,和基于室内磁地图的聚焦式匹配定位方法。前者将约束型航迹推算方法用于磁地图的快速建模,具有较好的可扩展性,并使磁地图的更新和维护相对简单;后者通过粗匹配定位与细匹配定位自适应地结合实现低复杂度、高精度和高可信度的聚焦式匹配定位。