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激光陀螺捷联惯性导航系统算法研究

作　者: 陈帅
导　师: 丁继成
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 捷联惯导系统 激光陀螺 随机误差 动基座 高动态
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着国内激光陀螺技术的成熟，激光陀螺捷联惯导系统的研究与应用已在不断的深入。鉴于国内航空、航天，航海等领域对高精度自主式导航系统的大量需求，以及激光陀螺捷联惯导系统在动态环境下部分技术研究存在不足，本文围绕激光陀螺随机误差特性的分析、建模与补偿、激光陀螺捷联惯性导航系统的初始对准技术、高动态环境下的导航解算算法及其各子系统的软件开发等方面作了较为细致的研究和设计工作。（1）针对采集的激光陀螺数据存在野值和其他干扰情况，提出激光陀螺随机误差信号分析、建模与补偿方案。采用小波分析信息融合法完成了原始数据的分析、重构和预处理；利用动态数据系统法(Dynamic Data System，DDS)建立了适合的自回归滑动平均(Auto-Regressive and Moving Average，ARMA)模型，通过其系数建立系统状态空间模型，由卡尔曼滤波法进行实测数据的滤波补偿；最后，通过Allan方差法对滤波补偿前后数据进行随机误差的辨识与分析。结果表明，激光陀螺数据的建模滤波补偿效果较为明显，该方案能够有效的降低随机误差源的干扰，提高数据精度。（2）针对传统解析式粗对准在基座晃动剧烈情况下无法给出较为合理的失准角问题，本文采用一种基于惯性系凝固的粗对准方法完成了动基座粗对准，在此基础上，建立了系统的精对准状态空间模型，对基于惯性系下的精对准进行了深入的研究。仿真结果表明，该方案能够满足机载捷联惯导系统的初始对准方位精度的要求。（3）通过对比传统姿态更新算法与旋转矢量算法的优缺点，在考虑高动态环境的影响下，对旋转矢量的三子样算法及其优化算法进行了深入分析；在速度更新算法中考虑了划船效应和旋转效应的影响，对划船效应的三子样算法及其优化进行了研究；在位置更新算法中考虑了涡卷效应的影响，对涡卷效应的三子样补偿算法进行了推导。最后分别对各导航解算更新算法进行了仿真对比与分析。仿真结果表明，在高动态环境下，圆锥运动、划船运动和涡卷运动对导航精度影响严重，多子样的补偿算法及其优化补偿算法改善了机体在恶劣航行条件下所产生的干扰误差。（4）激光陀螺捷联惯导系统软件设计。基于前述研究成果，对整个系统算法软件实现的体系结构和流程进行了设计，并利用简单、通用的C#语言完成了程序编写。运行结果与算法仿真结果一致，能够为实测数据分析和算法验证提供方便。本文针对机载激光陀螺捷联惯导系统实现中较为关键的技术问题进行了深入的研究，数据处理方案、仿真结果和软件运行结果正确，以期为激光陀螺捷联惯导系统的工程实现起到一定的参考作用。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  10-11
  1.2 激光陀螺捷联惯导系统基本原理  11-13
    1.2.1 激光陀螺的基本原理  11-12
    1.2.2 激光陀螺捷联惯导系统的工作原理  12-13
  1.3 激光陀螺捷联惯导系统相关技术的研究现状  13-16
    1.3.1 激光陀螺误差特性的研究现状  13-14
    1.3.2 初始对准技术的研究现状  14-15
    1.3.3 激光陀螺捷联惯导系统导航解算算法的研究现状  15-16
  1.4 课题研究的主要内容  16-18
第2章 激光陀螺的随机误差特性分析、建模与补偿  18-40
  2.1 激光陀螺输出数据随机误差分析法及数据预处理  18-24
    2.1.1 激光陀螺的随机误差因素  18-19
    2.1.2 激光陀螺随机误差的 Allan 方差分析法  19-21
    2.1.3 实验数据处理  21-24
  2.2 激光陀螺输出数据建模  24-32
    2.2.1 激光陀螺输出数据的时间序列建模分析  24-25
    2.2.2 建模过程中涉及的一些检验方法  25-27
    2.2.3 激光陀螺随机误差的建模方案选择  27-30
    2.2.4 激光陀螺随机误差的 DDS 法建模  30-32
  2.3 激光陀螺随机误差的补偿与分析  32-39
    2.3.1 随机误差的滤波模型的建立  33-34
    2.3.2 随机误差的滤波补偿  34-35
    2.3.3 滤波补偿效果分析  35-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章 激光陀螺捷联惯导系统的初始对准技术研究  40-52
  3.1 初始对准技术概述  40-41
  3.2 激光陀螺惯导系统动基座初始对准技术研究  41-50
    3.2.1 传统的解析式粗对准技术  41-42
    3.2.2 基于惯性系的动基座粗对准技术研究  42-48
    3.2.3 动基座精对准技术研究  48-50
  3.3 本章小结  50-52
第4章 激光陀螺捷联惯导系统的算法研究  52-74
  4.1 激光陀螺捷联惯导系统的姿态更新算法  52-58
    4.1.1 姿态更新算法  52-54
    4.1.2 姿态更新算法的比较与分析  54
    4.1.3 旋转矢量的三子样算法及其优化  54-58
  4.2 激光陀螺捷联惯导系统的速度更新算法  58-63
    4.2.1 捷联惯导系统的基本速度计算  58-59
    4.2.2 速度算法中的划船效应分析  59-61
    4.2.3 划船效应的三子样补偿算法及其优化  61-63
  4.3 激光陀螺捷联惯导系统的位置更新算法  63-68
    4.3.1 位置的确定  63-64
    4.3.2 位置解算中的涡卷误差分析  64-66
    4.3.3 涡卷效应补偿算法  66-68
  4.4 补偿算法的仿真验证及分析  68-73
    4.4.1 姿态更新算法的仿真验证与分析  68-70
    4.4.2 速度更新算法的仿真验证与分析  70-72
    4.4.3 位置更新算法的仿真验证与分析  72-73
  4.5 本章小结  73-74
第5章 激光陀螺捷联惯导系统的软件设计  74-90
  5.1 总体设计方案  74-82
    5.1.1 独立模块化设计  74-79
    5.1.2 模块数据通信  79-80
    5.1.3 可视化设计  80-82
  5.2 子系统设计与实现  82-89
    5.2.1 随机误差特性分析建模与补偿软件实现  82-84
    5.2.2 初始对准软件实现  84-87
    5.2.3 高动态算法验证部分的实现  87-89
  5.3 本章小结  89-90
结论  90-92
参考文献  92-98
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  98-100
致谢  100

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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
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