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SINS/GPS惯性组合导航系统研究

作 者: 李涤非
导 师: 华宇宁
学 校: 沈阳理工大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: SINS/GPS组合导航系统 联合卡尔曼滤波 误差 导航 实验
分类号:
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 28次
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内容摘要


全球定位系统(GPS)和捷联惯性导航系统(SINS)是目前经常被采用的两种导航系统,由于GPS容易受到屏蔽和干扰,惯性导航系统导航误差随时间积累增大的问题,因此,采用SINS/GPS组合导航系统,来实现精确导航的最终目标。介绍了惯性导航系统和组合导航系统的基本概念以及原理,从全球定位系统GPS的组成和工作原理上出发,分析它的具体工作方式以及造成导航误差的具体系统因素构成,接着对部分偏差导航数据进行预处理,同时分析SINS/GPS组合导航系统的组合形式和方式。研究了FPGA和嵌入式处理器NIOS II的基本知识和开发流程。分析惯性器件,设计出整套系统各个部分的应用电路。对于传感器信号的数据调理,设计出信号多路选择和A/D转换电路。对陀螺仪和加速度计分别采用转台实验和六位置标定方法对两种传感器件进行标定补偿,经过补偿之后纯惯导系统对提高导航能力具有较好的效果。建立SINS的姿态、速度、位置等系统误差方程和状态方程,最终建立SINS/GPS组合导航系统模型,设计联合卡尔曼滤波器,并给出了组合导航系统的观测方程。在分析GPS和IMU的具体的性能指标之后,分别对GPS和SINS做静态实验,再对SINS/GPS组合导航系统进行静态实验,采用联合卡尔曼滤波器滤波,组合导航系统的姿态角、速度、位置误差滤波结果具有较好的效果,对SINS/GPS组合导航系统进行动态实验,根据仿真出来的结果可以得出结论,组合导航系统可以有效的解决误差积累的问题,组合导航系统具有更好的导航效果。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-11
第1章 绪论  11-15
  1.1 惯性导航系统的背景  11-12
  1.2 惯性导航系统的发展状况  12-14
  1.3 组合导航系统  14
  1.4 本章小结  14-15
第2章 惯性组合导航系统理论概述  15-32
  2.1 导航中常用的坐标系  15-17
  2.2 捷联惯性导航系统的基本原理  17-18
  2.3 捷联惯性导航系统的数学模型  18-21
  2.4 GPS全球卫星导航系统  21-27
    2.4.1 GPS全球定位系统的概述  21
    2.4.2 GPS全球定位系统的组成和工作原理  21-24
    2.4.3 GPS全球定位的系统误差分析  24-27
  2.5 SINS/GPS惯性组合导航系统  27-31
  2.6 本章小结  31-32
第3章 惯性导航系统硬件电路设计  32-42
  3.1 系统电源和串口扩展模块电路  32-34
    3.1.1 系统供电模块电路  32-33
    3.1.2 串口扩展电路  33-34
  3.2 导航计算机解算单元和外围扩展电路  34-38
    3.2.1 FPGA编程和配置电路  34-36
    3.2.2 FPGA嵌入式软核处理器  36-37
    3.2.3 SDRAM接口电路  37-38
  3.3 传感器采集电路设计  38-39
    3.3.1 A/D转换电路  38
    3.3.2 多路信号选择电路  38-39
  3.4 FPGA模块程序设计  39-41
  3.5 本章小结  41-42
第4章 惯性器件以及器件的误差标定  42-48
  4.1 MEMS加速度计  42-43
    4.1.1 MEMS加速度计误差标定  42-43
  4.2 实验验证  43-45
  4.3 MEMS陀螺仪  45-46
  4.4 实验验证  46-47
  4.5 本章小结  47-48
第5章 SINS/GPS组合导航系统设计  48-68
  5.1 联合卡尔曼滤波理论  48-55
    5.1.1 联合卡尔曼滤波原理  48
    5.1.2 联合卡尔曼滤波算法  48-50
    5.1.3 联合卡尔曼滤波器性能讨论  50
    5.1.4 FIR数字滤波原理  50-55
  5.2 SINS/GPS组合导航系统联合滤波器设计  55-67
    5.2.1 SINS状态方程及其离散化  55
    5.2.2 SINS/GPS组合导航系统模型  55-57
    5.2.3 联合卡尔曼滤波器  57-59
    5.2.4 SINS系统误差方程  59-65
    5.2.5 SINS/GPS组合导航系统的观测方程  65-67
  5.3 本章小结  67-68
第6章 实验与仿真分析  68-77
  6.1 IMU和GPS性能参数  68-69
  6.2 SINS和GPS静态实验  69-73
    6.2.1 GPS静态实验  69-72
    6.2.2 SINS静态实验  72-73
  6.3 SINS/GPS组合导航系统静态实验  73-74
  6.4 SINS/GPS组合导航系统动态实验  74-76
  6.5 本章小结  76-77
总结及展望  77-78
参考文献  78-81
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  81-82
致谢  82

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