[发明专利]一种基于MEMS的IMU和GPS紧组合导航方法

说明书

本发明提供了一种基于MEMS的IMU和GPS紧组合方法，该方法采用最小二乘法对GPS原始数据进行估计，输出GPS导航估计值；将位置、速度的导航估计值提供给IMU作为初始位置和速度信息；IMU采用卡尔曼滤波方法进行初始对准，并对IMU测量数据进行解算，得到IMU导航信息；利用IMU导航信息计算多普勒频率提供给GPS进行捕获跟踪辅助，提高其性能；建立动态误差模型，采用扩展卡尔曼滤波器将GPS和IMU的导航信息进行数据融合，反馈误差对同时刻的IMU的导航信息校正，输出融合并校正的最佳位置、速度、姿态信息。

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及一种基于MEMS的IMU和GPS紧组合导航方法。

背景技术

惯性导航系统（INS）具有能够不依赖外界信息，完全独立自主的提供多种较高精度的导航参数的优点，具有抗电子辐射干扰、大机动飞行、隐藏性好的特点。其精度主要取决于惯性测量器件，导航参数误差随时间积累，误差积累的速度主要由初始对准的精度、导航系统使用的惯性传感器的误差以及主运载体运动轨迹的动态特性决定，如果惯性器件的精度较低则误差的积累速度较快，不适合长时间的单独导航。采用MIMU设计的微捷联惯导系统(MINS)继承了捷联惯导统自主性强、抗干扰性好等优点，并以体积小、重量轻、成本小和功耗低的优势广泛应用于军用和民用领域。

全球定位系统（GPS）是一种20世纪70年代发展起来的新型卫星导航系统，它的明显优点是能进行全球、全天候和实时的导航，其定位误差与时间无关，并且有较高的定位和测速精度。但是，载体在做高动态的运动时，常使GPS接收机不易捕获和跟踪卫星载波信号，由于采用无线电导航，GPS信号也常常容易受到各种干扰。

鉴于GPS和INS导航系统的各自优缺点，GPS/INS组合导航具有很好的互补性，它克服了低精度惯导系统单独工作时误差随时间积累的缺点和GPS系统固有的局限性。对于惯性导航系统，GPS能提供高精度的位置和速度数据，并连续地对准和校准INS系统，从而可以有效地提高惯性导航系统的性能和精度。而对于GPS系统，惯性导航系统的辅助可以提高其捕获跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。此外，GPS/INS组合导航属于非线性系统，采用扩展卡尔曼滤波方法进行数据融合。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提出了一种基于MEMS的IMU和GPS紧组合导航方法。

本发明的技术方案是：

一种基于MEMS的IMU和GPS紧组合导航方法，包括以下步骤。

步骤1：采用最小二乘法对GPS原始数据进行解算，输出GPS导航估计值，包括位置估计值和速度估计值。

步骤2：将GPS位置、速度估计值提供给IMU作为初始位置和初始速度；IMU采用卡尔曼滤波方法进行初始对准；并对IMU测量数据进行解算，得到IMU导航信息。其中，所述IMU导航信息包括姿态、位置和速度信息。

步骤3：利用IMU导航信息计算多普勒频率提供给GPS进行捕获跟踪辅助，提高GPS捕获跟踪性能。

步骤4：建立动态误差模型，采用扩展卡尔曼滤波器将GPS和IMU的导航信息数据融合，反馈误差对同时刻的IMU的导航信息进行校正，输出经过融合并校正的最佳位置、速度、姿态信息。

步骤1具体包括以下步骤。

步骤1.1：对GPS原始数据应用最小二乘法进行导航解算，分别将伪距残差、伪距率作为观测量，计算GPS位置估计值和速度估计值。

步骤1.2：最小二乘法利用公式求解位置和钟差值：

(1)

其中，，是第j颗卫星的伪距残差，；

， (2)