基于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计与实现
摘要
车载导航技术广泛应用于自动驾驶和无人车轨迹控制领域，其主要提供高动态、高
精度的航向信息和实时位置信息以实现车辆的姿态控制和准确定位。车载应用场景中，
高精度的捷联惯导设备成本较高。虽然MEMS惯性系统成本相对较低，但无法提供高
精度的导航结果。此外，卫星导航系统信号输出频率低，且易受干扰而出现定位失效等
问题。因此，如何在提高定位定向精度的同时控制系统成本是当前车载导航技术发展的
关键问题。
针对上述现状，从硬件结构设计和组合导航算法两个方面研究，本文提出了一种基
于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计方案。依据组合导航原理，构建适用于本文系
统的卡尔曼滤波模型以实现与双天线GPS信息相融合，从而构成能够适用于广泛区域，
并实时提供准确的全姿态信息和定位信息的车载组合导航系统。同时对所提出的系统方
案和理论算法通过车载实验进行有效性验证。本文的主要内容围绕以下方面展开：
1
（）分析了陆地导航中惯性导航技术的相关理论。根据车载导航系统对定向精度
有着较高要求的特点，本文设计了以单轴光纤陀螺仪为核心，集成MEMS倾角传感器
和双天线GPS的车载组合导航系统方案（简称单轴系统）。首先推导该系统的航向角更
新模型，并结合MEMS传感器提供的水平姿态角信息辅助航向解算优化航向角更新模
型，保证复杂路况条件下的航向解算精度。
2
（）为实现组合导航功能设计了适用于本文系统的卡尔曼滤波模型。首先设计航
向角滤波器，其以单轴光纤陀螺的航向信息与零偏构成状态方程，双天线GPS航向信息
作为观测值实现航向估计。其次，针对GPS信号失效问题，设计卫星信号失效时航向角
估计切换方案，保证航向角实时估计精度。此外，设计位置滤波器使单轴系统具有组合
定位功能。其以MEMS/GPS卡尔曼滤波模型为基础，将航向角滤波器估计的航向信息
作为航向约束加入量测方程中，使单轴系统能够输出更准确的高动态导航信息。最后，
本文通过车载实验验证单轴系统组合导航算法的有效性。
3MEMS
（）为解决九轴倾角传感器在测姿过程中会受到运动加速度干扰以及磁场
影响而导致水平姿态解算产生误差的问题，本文通过改进基于四元数的EKF姿态融合
算法以抑制量测信息异常的干扰。此改进算法设计两级卡尔曼滤波，使用加速度计量测
模型和磁力计量测模型分别进行后验估计，避免因磁力计受到干扰影响俯仰角和横滚角
的准确估计。同时根据加速度测量值设置相应的权重因子，自适应调节噪声协方差阵以
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
减小载体机动引起的加速度变化对姿态融合的影响。实验结果表明，改进的自适应EKF
算法能够有效抑制运动加速度干扰，为单轴系统提供稳定的水平姿态信息。
4STM32
（）根据系统设计方案选取相关器件搭建了基于微处理器的单轴光纤陀螺
导航系统的硬件平台，用以实际车载环境下的实验测试。依据系统中各传感器输出协议，
完成了单轴系统导航数据采集程序，实现了数据处理、航向角解算与数据存储等功能，
为单轴系统组合导航算法的验证提供全面的数据支持。最后，本文通过跑车实验验证所
提出系统方案的可行性与滤波算法的有效性。结果表明，单轴光纤陀螺车载导航系统姿
1°
态输出结果与参照组接近，其中行驶状态下系统航向角误差保持在以内，所提出的组
合导航算法有效抑制了航向误差漂移，系统整体导航性能得到了验证。
关键词：光纤陀螺；惯性导航；组合导航；卡尔曼滤波；航姿参考系统
基于单轴光纤陀螺的车载组合导航系统设计与实现
ABSTRACT
Vehiclenavigationtechnologyiswidelyusedinthefieldoftrajectorycontrol