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北斗/微惯导组合导航方法研究

作　者: 何晓峰
导　师: 胡小平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 组合导航 北斗卫星导航系统 微惯性测量单元 惯性导航系统 紧组合 深组合 卡尔曼滤波 软件接收机
分类号: TN967.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要


随着我国北斗卫星导航系统建设的稳步推进和惯性导航技术的飞速发展,以及我军制导弹药发展的迫切需求,北斗/微惯导组合导航方法及相关应用技术已成为研究热点。本文利用软件接收机概念,构建北斗/微惯导组合导航系统,研究了基于软件接收机的紧组合与深组合导航框架,对于两类框架中的主要关键技术进行了优化设计,并对主要理论问题和方法进行了研究。论文的主要工作与创新点如下:1.考虑SINS运动相关性条件下,从理论上进行软件接收机信号捕获与SINS的适配性分析。通过对软件接收机原理的分析,研究了基于软件接收机的BD-2/SINS组合导航方法框架;在此基础上,根据SINS辅助卫星信号捕获原理,深入分析了影响信号捕获性能的主要因素,利用SINS速度误差方程,推导了SINS性能与信号捕获性能之间的关系;针对载体高动态运动轨迹,分析了采用不同精度的SINS辅助对提高信号捕获性能的贡献;仿真结果表明,采用由100 deg/h精度的微陀螺和1 mg精度的微加速度计组成的低精度SINS辅助捕获卫星信号,在120 s内捕获灵敏度可以提高约4.2 dB-Hz。2.研究了基于软件接收机的BD-2/MIMU紧组合导航方法。从理论上证明了表征卫星导航系统卫星几何分布特性的GDOP下界,对比分析了BD-2与GPS两系统的GDOP分布;针对BD-2系统包含三类轨道卫星的特点,提出了高动态条件下MIMU辅助快速选星算法,实验验证了算法的有效性;在紧组合导航方法框架下,设计了MIMU辅助环路跟踪条件下的紧组合导航算法,得出了在高动态情况下MIMU辅助的三阶PLL环路带宽为3 Hz时可保持环路锁定的结论;针对卫星信号缺失情况,提出了ANFIS辅助KF的紧组合导航算法,实验表明该算法在卫星信号失锁100 s内,仍能保持位置、速度精度不降低。3.研究了基于软件接收机的BD-2/MIMU深组合导航方法。引入了半参数模型及广义补偿最小二乘估计的基本理论,阐述了正则矩阵与光滑因子的选取方式;针对MIMU系统误差较大的问题,在建立陀螺仪温度模型的基础上,针对陀螺仪启动过程的误差补偿问题,提出了半参数模型的系统误差建模与补偿算法;针对MIMU的随机误差,研究了基于AR(2)模型的推广递推最小二乘算法;实验验证了上述两个算法的可行性和有效性;研究了深组合导航算法的总体结构,采用序贯滤波方法设计了深组合导航滤波器,对矢量跟踪环结构进行了设计;针对矢量跟踪环结构中的基带信号预处理模块,研究了基于半参数模型的多项式拟合算法。4.研制了基于软件接收机的BD-2/MIMU组合导航原理样机。利用北斗卫星信号模拟器及相关实验条件,结合实际的高动态飞行数据,设计了实验方案;对于真实轨迹驱动产生的BD-2模拟卫星信号进行了捕获实验,结果表明采用预检测积分5 ms时,能够成功捕获信号;从实验的角度阐述了紧组合与深组合方式的导航精度测试方案,对关键技术指标进行了评测,结果表明,整体上深组合导航精度稍优于紧组合导航,两种导航方法的位置精度优于6 m,速度精度优于0.15 m/s,水平姿态角优于0.4 deg,航向角精度优于0.5 deg。5.研究了基于神经网络辅助卡尔曼滤波的BD-1/SINS组合导航方法。针对BD-1有源定位带来的时间延迟问题,在理论上分析了神经网络辅助卡尔曼滤波算法的有效性;构建了BD-1/SINS组合导航原理样机,车载实验结果表明,算法提高了定位精度,特别是在卫星信号暂时失锁情况下,性能改善更为明显,水平定位精度优于50 m。

全文目录


摘要  14-16
ABSTRACT  16-18
第一章 绪论  18-40
  1.1 研究背景与意义  18-20
    1.1.1 研究背景  18-20
    1.1.2 研究意义  20
  1.2 国内外发展及研究现状  20-32
    1.2.1 全球卫星导航系统（GNSS）  20-23
    1.2.2 捷联惯性导航系统（SINS）  23-25
    1.2.3 组合导航技术的发展及研究现状  25-32
  1.3 北斗/微惯导组合导航的关键技术  32-36
    1.3.1 软件接收机与SINS 的适配性分析  32-33
    1.3.2 基于软件接收机的紧组合导航  33-34
    1.3.3 深组合导航算法  34-35
    1.3.4 有源定位条件下的组合滤波算法设计  35
    1.3.5 关键技术研究评述  35-36
  1.4 论文的研究内容、组织结构和主要贡献  36-40
    1.4.1 研究内容与组织结构  36-38
    1.4.2 论文的主要贡献和创新点  38-40
第二章 软件接收机信号捕获与SINS 的适配性分析  40-66
  2.1 基于软件接收机的组合导航  40-43
    2.1.1 软件接收机  40-42
    2.1.2 基于软件接收机的组合导航  42-43
  2.2 卫星信号捕获性能与SINS 的适配性分析  43-60
    2.2.1 卫星信号捕获的误差分析  44-54
    2.2.2 卫星信号捕获性能与SINS 的适配性  54-60
  2.3 仿真结果与分析  60-64
    2.3.1 高动态运动轨迹  60
    2.3.2 预检测积分时间1ms 时SINS 辅助的检测概率分析  60-62
    2.3.3 预检测积分时间10ms 时SINS 辅助的检测概率分析  62
    2.3.4 对比分析  62-64
  2.4 本章小结  64-66
第三章 基于软件接收机的BD-2/MIMU 紧组合方法  66-93
  3.1 基于MIMU 辅助的BD-2 快速选星算法设计  67-79
    3.1.1 GDOP 的理论下界  67-70
    3.1.2 我国及周边区域GDOP 分布  70-74
    3.1.3 MIMU 辅助的快速选星算法设计  74-79
  3.2 基于MIMU 辅助跟踪环路的紧组合算法设计  79-85
    3.2.1 基于MIMU 辅助跟踪环路的紧组合算法总体设计  79-80
    3.2.2 MIMU 辅助的跟踪环路设计  80-83
    3.2.3 紧组合算法设计  83-85
  3.3 卫星信号缺失情况下基于ANFIS 辅助KF 的紧组合设计  85-92
    3.3.1 基于ANFIS 辅助KF 算法原理  86
    3.3.2 卫星信号缺失情况下基于ANFIS 辅助KF 的算法设计  86-89
    3.3.3 实验验证  89-92
  3.4 本章小结  92-93
第四章 基于软件接收机的BD-2/MIMU 深组合方法  93-111
  4.1 半参数模型及估计方法  93-96
    4.1.1 半参数模型  93-94
    4.1.2 半参数模型的广义补偿最小二乘估计  94-95
    4.1.3 正则矩阵与光滑因子的选定  95-96
  4.2 微陀螺仪误差补偿算法设计  96-105
    4.2.1 基于半参数模型的微陀螺仪系统误差补偿算法  96-101
    4.2.2 基于推广最小二乘的微陀螺仪随机误差降噪算法设计  101-105
  4.3 BD-2/MIMU 深组合算法设计  105-108
    4.3.1 深组合导航系统结构  105
    4.3.2 导航滤波器设计  105-107
    4.3.3 矢量跟踪环结构  107-108
  4.4 基于半参数模型的基带信号预处理技术  108-110
    4.4.1 基带信号预处理模型  108-109
    4.4.2 基于半参数模型的基带信号预处理  109-110
  4.5 本章小结  110-111
第五章 BD-2/MIMU 组合导航系统的实现  111-133
  5.1 组合导航原理样机的实现  111-115
    5.1.1 系统的构成  111-113
    5.1.2 系统的信息流程设计  113-115
  5.2 实验设计  115-119
    5.2.1 实验环境与信号模拟器  115-118
    5.2.2 实验方法  118-119
  5.3 实验与结果分析  119-131
    5.3.1 实验轨迹与数据处理  119-122
    5.3.2 卫星信号捕获实验结果与分析  122-124
    5.3.3 组合导航实验结果与分析  124-131
  5.4 本章小结  131-133
第六章 基于神经网络辅助KF 的BD-1/SINS 组合导航方法  133-150
  6.1 BD-1/SINS 组合导航的基本原理  133-136
    6.1.1 基本框架  133-134
    6.1.2 系统误差模型  134-136
    6.1.3 BD-1/SINS 组合导航的特点  136
  6.2 基于神经网络辅助KF 的组合导航方法设计  136-140
    6.2.1 基于神经网络辅助KF 的框架研究  137-138
    6.2.2 BP 算法的改进  138-140
  6.3 BD-1/SINS 组合导航系统的实现  140-148
    6.3.1 实验方案  140
    6.3.2 实验结果与比较  140-148
  6.4 本章小结  148-150
第七章 结论与展望  150-153
  7.1 论文总结  150-151
  7.2 研究展望  151-153
致谢  153-155
参考文献  155-169
作者在学期间取得的学术成果  169-171
附录A 坐标系定义及地球模型参数  171-174
附录B 卫星运动产生的多普勒频移分析  174-177

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 各种体制的导航系统 > 复合导航系统
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