基于捷联惯性导航的组合定位系统设计与实现

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近年来,基于位置服务的各种应用发展迅速,这些应用对位置信息的准确性及连续性提出了更高的要求。全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)存在抗干扰能力弱、输出频率低的问题,而惯性导航自主性高且采样频率快,但长期精度差,将两者组合可以实现优势互补。惯性导航精度依赖于惯性器件,高精度惯性器件成本较高,常用于军工业;在民用的城市车载厘米级定位中需要控制成本以实现大规模应用。本文基于捷联惯性导航,在GNSS采用伪距单点定位和实时动态载波相位差分(Real-Time Kinematic,RTK)定位两种模式下,对车载应用上的低成本高精度组合定位系统进行了设计及实现。首先采用松组合方式设计了基于速度、位置、航向角的组合定位算法,并仿真验证该算法能够有效抑制惯性导航长时间定位发散问题。其次采用米级的伪距单点定位设计了组合定位系统,根据车辆是否静止及GNSS是否有效将系统划分为四种状态,使用本文提出的静止检测方法与车辆非完整约束对不同状态下的系统进行误差补偿。而后,选用IMU381惯性器件及NEO-M8T卫星接收机进行了硬件设计,并分别对惯性导航模块、卫星定位模块、融合滤波模块及结果输出模块进行了软件设计及实现。然后,为实现厘米级定位精度,对RTK定位模式下的组合定位系统进行了设计及实现;针对RTK定位中信号失锁后模糊度难以固定的问题,提出了一种城市复杂场景检测方法及辅助解算策略,使用惯性导航结果作为每一历元RTK解算初值,加快城市环境车辆经过桥梁、隧道等复杂场景后的模糊度固定速度。另外根据RTK输出的位置速度标准差设计了融合滤波观测噪声参数动态调整的方法,随后对该组合定位系统进行了软件设计及实现。最后对本文实现的两个系统进行城市环境车载测试,测试显示两个组合定位系统能够分别实现米级及厘米级定位精度,在GNSS无效时仍能实现高频有效定位结果输出;且在RTK模式下使用辅助解算策略能有效缩短车辆经过桥梁等复杂场景后首次获得固定解的时长。
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