Low-Cost Inertial Navigation: Estimation Techniques

简介：
《低成本惯性导航：估计技术》一书专注于探讨如何在预算有限的情况下实现精确的惯性导航系统，涵盖了多种先进的状态估计方法。 ### 低成本惯性导航系统的估计技术 #### 概述 本段落档主要介绍了一项关于低成本惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS）的研究，该研究由Eun-Hwan Shin在加拿大卡尔加里大学完成，并作为其硕士学位论文提交。论文重点探讨了低成本INS的应用及其在陆地应用中的准确性提升技术。由于高精度惯性导航系统受到价格高昂及政府监管的限制，低成本INS在一般应用领域得到广泛使用。然而，这些低成本设备由于惯性测量单元（Inertial Measuring Unit, IMU）的质量较低，在短时间内可能出现较大的定位误差。 #### 主要研究成果 ##### 新型现场校准方法 - **背景与目的**：由于传统的校准方法需要将IMU与本地水平框架对齐，且偏置估计容易受到参考重力误差的影响，因此提出了一种新的现场校准方法。 - **方法**：新方法无需将IMU与本地水平框架对齐，偏置估计也不受参考重力误差的影响。 - **效果**：通过加速度计校准信息，几乎可以减少一半的定位误差。 ##### 速度匹配对准与非全约束法 - **速度匹配对准技术**：针对无法采用静态对准技术的IMU开发了一种速度匹配对准技术。该技术能够在三分钟内使所有姿态分量收敛到均方根误差（Root Mean Square Error, RMS）为0.03°的范围内。 - **非全约束法**：通过施加非全约束，显著降低了操作20分钟内的水平位置误差，使其保持在40米以内。 #### 技术细节 ##### INS初始化对准 - **目的**：为了提高INS在GPS信号缺失情况下的独立定位能力。 - **方法**：采用了基于导航框架的速度匹配对准技术和非全约束法来实现快速准确的初始对准。 - **优势**：即使在GPS信号中断超过10分钟的情况下，低成本INS仍能作为独立的定位系统使用。 ##### GPSINS组合导航 - **原理**：利用卡尔曼滤波（Kalman Filter）进行数据融合，结合GPS的全球定位能力和INS的连续性，实现更稳定、更精确的位置追踪。 - **模型推导**：论文中详细介绍了GPSINS组合解算模型的公式推导过程，包括状态方程和观测方程的建立，以及卡尔曼滤波算法的具体实现步骤。 - **应用价值**：通过GPSINS组合导航，可以有效克服单独使用GPS或INS时存在的问题，如GPS信号丢失导致的定位不连续和INS累积误差问题。 #### 结论与展望 通过上述研究，Eun-Hwan Shin成功地开发并测试了一系列用于改进低成本INS性能的技术，包括新型现场校准方法、速度匹配对准技术以及非全约束法。这些技术不仅提高了INS的定位精度，还增强了其在GPS信号中断情况下的独立工作能力。此外，通过GPSINS组合导航，进一步提升了整体系统的稳定性和可靠性。未来的研究方向可以着眼于如何进一步优化组合导航算法，以及如何在更广泛的环境中验证这些技术的有效性。