● 摘要
全球卫星导航系统(Global Positioning Systems, GPS)和捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)具有优势互补的特点。SINS/GPS超紧耦合模式通过对这两种导航系统的深度组合可以提高导航系统的抗干扰能力。然而，基于低精度惯性器件(Inertial Measurement Unit，IMU)的传统微型机电捷联惯导系统(Micro-electromechanical Systems，MEMS-SINS)/GPS超紧耦合系统在高动态强干扰等恶劣导航环境中的导航性能极易受到影响。为此，论文对图像/MEMS-SINS组合导航方法、图像/MEMS-SINS辅助GPS接收机的信号捕获、图像/MEMS-SINS辅助GPS跟踪环路的抗干扰性能和图像辅助MEMS-SINS/GPS超紧耦合系统方案与系统信息融合方式进行了深入的研究和分析。主要的研究工作包括以下几个方面：
(1) 设计了一种图像/MEMS-SINS组合导航方法。研究了图像导航模型和基于双目视觉的运动估计原理，并针对双目视觉分析了摄像机标定和三维建模过程中的误差。设计图像/MEMS-SINS的组合导航方法，并建立了图像/MEMS-SINS组合导航系统的状态方程和量测方程。通过仿真实验证明了双目视觉导航系统不仅可以提高MEMS-SINS的姿态估计精度，还可以提高位置和速度估计精度。
(2) 提出了一种图像/MEMS-SINS辅助的DBZP高动态弱信号捕获方法。详细分析了DBZP弱信号捕获方法，研究了其在高动态环境中的捕获性能。针对高动态弱信号捕获的难点，本文提出了一种图像/MEMS-SINS辅助的DBZP高动态弱信号捕获方法。这种方法不仅可以充分利用DBZP方法在捕获弱信号上的优势，还可以通过图像/MEMS-SINS输出信息对多普勒频偏、多普勒速率和数据位边沿的估计来提高GPS接收机的捕获速度和在高动态环境中的捕获能力。
(3) 对图像/MEMS-SINS辅助GPS的抗干扰性能进行了分析。提出一种图像/MEMS-SINS辅助GPS跟踪环路结构。在建立图像/MEMS-SINS辅助PLL等效模型的基础上，综合分析了多种误差源对PLL跟踪性能的影响，进而得出不同辅助模式与环路带宽及信号载噪比的关系。通过仿真分析得到，将图像信息引入MEMS-SINS/GPS超紧耦合系统， GPS的抗干扰能力相对无辅助时至少提高了16.1dB，相对单独MEMS-SINS辅助时至少提高了5dB。
(4) 设计了图像辅助MEMS-SINS/GPS超紧耦合方案，并建立了系统模型。在传统超紧耦合导航系统的基础上，引入图像导航模块提供的位置速度和姿态与伪距和伪距率一同作为组合导航滤波器的量测信息，以提高MEMS-SINS/GPS超紧耦合系统的姿态导航精度和在强干扰环境中的导航性能；此外在GPS信号中断时，组合系统转换为图像/惯导耦合模式，抑制导航系统误差进而提高系统的可靠性。随后，建立图像辅助MEMS-SINS/GPS超紧耦合导航系统的状态方程和量测方程。
(5) 提出了图像辅助MEMS-SINS/GPS超紧耦合系统信息融合方法，并对新型超紧耦合系统进行了仿真验证。根据图像与超紧耦合系统的特点，确定系统的信息融合方式。建立仿真平台并利用其对本文提出的图像辅助MEMS-SINS/GPS超紧耦合方案进行验证分析。仿真结果表明，通过将双目视觉提供的姿态信息引入GPS/MEMS-SINS超紧耦合系统中，提高了平台失准角的可观测性提高了系统的姿态估计精度。当GPS信号中断时，利用双目视觉到导航信息校正MEMS-SINS的导航误差，很大程度上抑制了惯导系统的发散，提高了位置、速度的导航精度。当GPS信号受到强噪声或多径干扰造成跟踪精度下降时，图像辅MEMS-SINS/GPS超紧耦合系统可以有效提高系统在高动态强干扰环境中的可靠性。
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