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车载自主定位定向系统研究

作　者: 严恭敏
导　师: 秦永元
学　校: 西北工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 自主定位定向系统捷联惯导系统里程计航位推算组合导航跑车试验误差补偿初始对准
分类号: U463.6
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

车载定位定向技术是指车上导航系统在载车行驶过程中精确确定其所在位置的地理坐标、北向方位及姿态角，为陆基导弹等武器的机动发射提供参考基准。为保证和增强车载武器系统的快速机动性，现代先进的陆地作战车辆一般都配备有定位定向系统。虽然由惯性导航系统(INS)和全球定位系统(GPS)构成的INS／GPS组合系统很容易满足陆用导航系统动态定位和定向的要求，成为西方各国军用车辆导航系统的重要发展方向，但是GPS在我国军事应用中是不可完全依赖的，我国的车载导航系统必须具备自主定位定向的能力。采用液浮平台构成的车载导航系统虽然精度高，但每隔一定时间必须停车作零速修正，存在启动时间长、可靠性低、维修不便等缺点，极大制约着车载武器系统的快速反应能力。论文中采用激光陀螺捷联惯导系统为主导航系统，通过与里程计和气压高度计组合，构成车载自主定位定向系统，并借助路标点进行误差补偿。该定位定向系统不依靠GPS，中途无须停车作零速修正，是一种全自主的导航系统，具有定位定向精度高、机动性好、可靠性高和寿命长等优点。论文的主要研究内容包括： 1．在陀螺和加速度计均以增量形式采样条件下，介绍了捷联惯导系统(SINS)的算法编排，包括姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法，在姿态更新算法中考虑了圆锥误差补偿算法，在速度更新算法中考虑了划船误差补偿算法，在位置更新算法中考虑了涡卷误差补偿算法，形成了一套完整的捷联惯导算法。 2．在里程计采样以路程增量形式输出情况下，推导了高精度航位推算(DR)算法，研究了航位推算误差的规律，得出了航位推算轨迹与载车真实轨迹相似的性质，利用相似性方法可以对捷联惯组在载车上的安装偏差角进行标定，应用已知路标点信息能够对载车惯导初始对准误差角和里程计刻度系数误差等误差源进行修正，实现高精度定位定向。 3．设计了SINS／DR组合导航系统，仿真结果表明，在组合导航系统中航向误差角和里程计刻度系数误差能被较好地估计出来，因而组合导航系统能够在一定程度上提高定位定向系统的精度，并可应用于车载导航系统的动基座初始精对准。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-23
  1.1 陆地导航系统分类  11-12
  1.2 国内外研究背景  12-15
  1.3 论文研究的意义  15-17
  1.4 论文研究的主要内容  17-21
  1.5 论文的结构安排  21-23
第二章捷联惯导系统数字递推算法  23-44
  2.1 坐标系的定义及其转换关系  23-26
    2.1.1 坐标系的定义  23-24
    2.1.2 各坐标系之间的转换关系  24-26
  2.2 捷联惯导系统数字递推算法  26-39
    2.2.1 捷联惯导算法微分方程组  26-27
    2.2.2 姿态更新算法  27-30
    2.2.3 速度更新算法  30-33
    2.2.4 位置更新算法  33-39
  2.3 捷联惯导简化算法  39-44
    2.3.1 捷联惯导简化算法微分方程组  39-40
    2.3.2 姿态更新算法  40-41
    2.3.3 速度更新算法  41-42
    2.3.4 位置更新算法  42-44
第三章捷联惯导系统误差方程  44-58
  3.1 捷联惯导系统误差方程  44-53
    3.1.1 捷联惯导系统方程  44-45
    3.1.2 捷联惯导系统误差方程  45-46
    3.1.3 误差方程分析  46-53
  3.2 误差方程在捷联惯组标定测试中的应用  53-58
    3.2.1 陀螺标定误差矩阵测试  54-56
    3.2.2 加速度计标定误差矩阵测试  56-58
第四章航位推算及其误差补偿技术  58-79
  4.1 航位推算算法  58-62
    4.1.1 位置更新算法  58-60
    4.1.2 姿态更新算法  60-62
  4.2 航位推算误差分析  62-67
    4.2.1 航位推算误差方程  62-64
    4.2.2 航位推算误差分析  64-67
  4.3 航位推算误差补偿技术  67-74
    4.3.1 存在安装误差时的航位推算算法  67
    4.3.2 航位推算误差  67-69
    4.3.3 航位推算轨迹和真实轨迹相似  69-71
    4.3.4 相似性原理的应用  71-73
    4.3.5 陀螺随机常值漂移的估计  73-74
  4.4 航位推算仿真  74-76
  4.5 跑车试验  76-79
第五章 SINS/DR组合导航系统设计与仿真  79-100
  5.1 一维 SINS/DR组合导航系统  79-84
    5.1.1 组合导航系统模型  79-81
    5.1.2 可观测性分析  81-83
    5.1.3 里程计故障判断  83
    5.1.4 仿真  83-84
  5.2 二维 SINS/DR组合导航系统  84-92
    5.2.1 组合导航系统模型  84-89
    5.2.2 可观测性分析  89-92
  5.3 SINS/DR组合导航系统设计与仿真  92-100
    5.3.1 组合导航系统模型  92-94
    5.3.2 仿真  94-100
第六章车载自主定位定向系统相关问题  100-124
  6.1 动基座粗对准技术  100-107
    6.1.1 传统解析式粗对准方法  100-101
    6.1.2 粗对准的改进算法  101-104
    6.1.3 动基座粗对准和仿真  104-107
  6.2 动态高精度初始对准技术  107-110
    6.2.1 几何对准基本原理  107-108
    6.2.2 利用航位推算进行精对准  108-109
    6.2.3 动态精对准试验  109-110
  6.3 载车尺寸对导航系统的影响  110-120
    6.3.1 载车运动分析  111
    6.3.2 捷联惯组安装位置和里程计测量点之间的相对关系  111-112
    6.3.3 考虑载车尺寸后的航位推算算法  112-114
    6.3.4 定位参考点的正确选择  114-117
    6.3.5 仿真  117-118
    6.3.6 跑车试验  118-120
  6.4 SINS/DR组合导航系统故障处理  120-122
  6.5 高度计的应用  122-124
第七章标定与跑车试验  124-139
  7.1 捷联惯组测试  124-132
    7.1.1 激光陀螺漂移和加速度计零偏测试  124-126
    7.1.2 捷联惯组标定  126-129
    7.1.3 初始对准试验  129-130
    7.1.4 静态导航试验  130-132
  7.2 里程计标定  132-135
    7.2.1 里程计刻度系数直接标定  132
    7.2.2 里程计刻度系数与安装偏差角的综合标定  132-135
  7.3 跑车试验  135-139
    7.3.1 跑车试验简介  136-138
    7.3.2 试验结果分析  138-139
第八章总结  139-142
  8.1 论文研究成果及创新  139-141
  8.2 进一步工作的建议  141-142
附录  142-155
参考文献  155-164
攻读博士学位期间发表的论文、参加的科研项目及获得的奖励  164-166
致谢  166-167

车载自主定位定向系统研究

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