基于MEMSINS/GNSS的组合导航系统设计及实现
摘要
InertialNavigationSystem,INSGlobal
单一的惯性导航系统（）和全球导航卫星系统（
NavigationSatelliteSystem，GNSS）都有其各自的优势和局限性，组合导航能够取长补
短，实现更具优势的导航系统，因此越来越多的学者投入到惯导和卫导的组合导航系统
Micro-Elector-MechanicalSystem,MEMS
设计工作中。本文以微机电系统（）惯导芯片
MPU9250和卫星信号接收机芯片NEO-M8N为主体，设计实现了一款低成本、小型化
的MEMSINS/GNSS组合导航系统。
首先，实现了系统的硬件平台设计。选用ARM芯片作为本系统的主控CPU，完成
了控制等模块和各模块之间通信接口的硬件电路设计，并进行了实物的制作，还对各个
接口的底层驱动进行了编写，使得模块间保持正常稳定的通信。
MEMSINSGNSS
其次，确定了和的数学模型。通过三轴转台使用分立式标定法
得到惯性器件的误差项；建立磁力计的三维误差模型，基于椭球拟合法设计磁传感器误
差补偿的方案，减少传感器误差；采用解析法通过加速度计完成MEMSINS的水平对
准，相对于需借助外部设备的双天线对准方案，本文利用MPU9250自带的磁力计实现
了方位对准；此外还介绍了惯导系统的更新算法以及卫星导航定位、测速和授时的基本
原理。
再者，完成了MEMSINS/GNSS组合导航的设计方案。利用秒脉冲信号和拉格朗日
三点插值法实现不同采样频率的MEMSINS和GNSS在数据融合时的时间同步；采用
松组合的方式，相对于传统的速度位置组合，本文将卫导输出的速度位置信息和由磁力
计得到的航向角再与惯导输出的对应量之差作为观测量，并选取合适的状态量进行卡尔
曼滤波器设计，再将滤波器输出的误差估计量通过反馈校正的方式去修正惯导系统，提
高导航精度；再通过软件仿真的方式将纯惯导解算和组合导航的导航结果进行对比，从
而证明了该方案的有效性。
最后，完成了系统的软件设计和实物测试。基于系统的硬件平台和导航算法进行惯
导与组合导航的系统软件、用户软件设计。为检测本系统的导航性能，对MEMSINS
进行了动静测试，对MEMSINS/GNSS组合导航系统和基准设备进行跑车实验，通过对
比实验结果验证了本文算法的合理性。
关键词：MEMSINS；组合导航；误差补偿；卡尔曼滤波
哈尔滨工程大学硕士学位论文
ABSTRACT
SingleInertialNavigationSystem(INS)andGlobalNavigationSatelliteSystem(GNSS)
havetheirownadvantagesanddisadvantages,butintegratednavigationcancomplementeach
othertorealizemoreadvantageousnavigationsystem,moreandmorescholarsaredevotedto
，
thedesignofintegratednavigationsystemofinertialnavigationandguide.Basedon
Micro-Elector-MechanicalSystem(MEMS)inertialnavigationchipMPU9250andsatellite
signalreceiverchipNEO-M8N,alow-costandminiaturizedMEMSINS/GNSSintegrated
navigationsystemisdesigne