近年来,随着卫星导航系统在铁路定位领域的不断深入研究,基于惯性传感器的多传感器组合定位的方式成为未来发展的趋势之一,其中微机电惯性测量单元(Micro Electro Mechanical Systems Inertial Measurement Unit,MEMS-IMU)具有低成本、小型化以及抗干扰的特性成为组合器件的主要选择之一,但MEMS-IMU由于结构加工技术和电路工艺的限制,存在较大的测量误差。目前,在现有的MEMS-IMU精度上,对存在的误差进行补偿和校正将是提高组合导航精度的有效办法之一,也将带来一定的经济成本收益。本文充分考虑MEMS-IMU在实际应用环境所表现出来的误差特性,将误差分为系统误差和随机误差,从模型建立方法、标定编排方案和在线补偿等不同角度开展研究。同时为了弥补纯惯导系统姿态发散的问题,研究磁力计的定姿原理及组合技术,进而优化组合导航系统并提高精确性、可靠性和连续性。本文的主要研究内容包括:(1)提出并验证低成本MEMS-IMU的系统误差模型和标定方法。通过研究MEMS-IMU系统误差产生的来源,确定主要误差项并建立误差方程,在此基础上,提出标定方案用于准确标定误差方程的误差参数。同时利用实际应用场景数据对误差模型和标定方法进行仿真,验证该方法的有效性。(2)研究MEMS-IMU的随机误差辨识方法和在线补偿技术。传统上,随机噪声被当成高斯白噪声处理,但实际上惯性器件的随机噪声属于有色噪声。本文将对惯性器件的随机噪声分解为有色噪声与白噪声的组合,对有色噪声建模得到微分方程,并设计基于卫星的有色噪声在线补偿方案,最后对该方案进行验证。(3)研究磁力计定姿方案和组合模型。为了提高组合系统的精度以及维持较长时间纯惯导系统定位精度,引入磁力计增加姿态观测量进而保持姿态的稳定性,首先研究了磁力计的定姿方程、磁偏角的模型和计算方法,其次在传统滤波方程的基础上对观测量扩维并更新升级量测模型。(4)设计并完成实验验证平台。结合实验室的接收机板卡和MEMS-IMU设备搭建了试验验证平台,在实际应用中对上述算法内容进行验证。试验结果表明,通过对MEMS-IMU系统误差的补偿,其量测输出精度提高80%以上,静态和动态运行环境下的导航结果均得到有效的改善;在此基础上,基于GNSS辅助的随机误差模型更进一步提高了组合导航系统的定位精度,并加快卫星可见性变化时位置精度的收敛速度;同时引入磁力计形成的增强型组合系统为姿态保持提供了稳定性,保证了纯惯导系统的定位持续性。图66幅,表20个,参考文献76篇。