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基于光纤陀螺的SINS/GPS组合导航算法研究

作　者: 张英杰
导　师: 曾建辉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 组合导航 SINS GPS Kalman滤波 光纤陀螺
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 41次
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内容摘要


捷联惯性导航系统虽然具有不依赖于任何外部设备的特性，但系统误差随时间积累，长时间导航精度降低，而捷联惯性导航系统与GPS的组合系统可以显著地克服误差发散的缺点，可以提供较长时间的高精度导航参数。本文结合实验室现有条件，设计了易于工程实现的低成本、中低精度的基于光纤陀螺的SINS/GPS组合导航系统。论文主要包括以下几个方面：首先，对含有随机误差的采集数据进行数字滤波，在建立IMU静态误差模型的基础上设计速度与位置实验对IMU进行标定，并利用标定实验获得IMU参数对惯性器件进行反标定，依据Allan分析原理得到惯性器件随机误差参数得到惯性器件的零偏稳定性指标。分析了捷联惯性导航系统的工作原理及导航解算算法，通过对SINS静基座的初始对准方程进行可观性分析，以状态降阶的方法进行初始精对准，根据导航参数的求解方程进行了捷联算法设计，利用捷连解算程序处理仿真程序产生的数据以验证捷联算法的解算精度。通过分析惯性器件性能，列写惯导系统的误差方程，研究SINS/GPS位置组合的组合算法，设计了以GPS位置量测信息作为Kalman滤波器的观测量的组合导航算法进行数据融合，并在MATLAB软件环境中对同一组陀螺及加表的采样数据进行了捷联及组合算法解算，通过对两种算法情况下获得的导航参数误差的对比，验证了本文所设计的基于卡尔曼滤波的组合算法的有效性和可行性。最后，利用本文设计的组合算法程序分别处理转台静态实验与两组动态试验，比较解算结果，可以看出GPS的修正作用，组合导航系统获得的导航参数精度高于捷连惯导系统，实验结果证明本文设计的组合导航算法能够大大提高导航参数的计算精度，符合工程实际要求。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题研究的背景意义  9
  1.2 光纤陀螺发展现状  9-11
  1.3 导航系统  11-13
  1.4 组合导航系统研究现状  13-14
  1.5 本文主要内容  14-15
第2章 系统设计与标定  15-41
  2.1 系统介绍  15-19
    2.1.1 硬件介绍  15-18
    2.1.2 系统软件设计  18-19
  2.2 导航采样数据预处理  19-23
    2.2.1 奇异值数据滤波  20-21
    2.2.2 平滑滤波  21
    2.2.3 IIR 低通滤波  21-23
  2.3 惯性器件误差分析及标定实验  23-36
    2.3.1 惯性器件误差分析  23-26
    2.3.2 标定实验  26-34
    2.3.3 标定结果  34-35
    2.3.4 静态误差补偿  35-36
  2.4 Allan 方差分析  36-40
    2.4.1 Allan 方法原理  36-38
    2.4.2 Allan 方差试验结果  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章 捷联惯导系统解算算法设计  41-59
  3.1 捷联惯导系统的基本原理  41-42
    3.1.1 参考坐标系  41
    3.1.2 导航系统原理  41-42
  3.2 捷联惯导系统解算  42-47
  3.3 初始对准方案设计  47-54
    3.3.1 初始对准模型  47-50
    3.3.2 化简滤波方程  50-52
    3.3.3 SINS 静基座初始对准仿真  52-54
  3.4 SINS 解算算法仿真分析  54-58
    3.4.1 仿真实验一  54-57
    3.4.2 仿真实验二  57-58
  3.5 本章小结  58-59
第4章 SINS/GPS 组合导航系统设计  59-71
  4.1 卡尔曼滤波原理  59-63
    4.1.1 连续型卡尔曼滤波基本方程  59-60
    4.1.2 离散型卡尔曼滤波基本方程  60-61
    4.1.3 系统的状态空间离散化  61-62
    4.1.4 Kalman 滤波流程  62-63
  4.2 组合导航滤波器设计  63-67
    4.2.1 惯性系统误差方程  63-64
    4.2.2 组合系统状态方程设计  64-66
    4.2.3 组合系统量测方程  66-67
  4.3 Kalman 滤波组合算法仿真分析  67-70
    4.3.1 仿真条件  67-68
    4.3.2 仿真结果  68-70
  4.4 本章小结  70-71
第5章 系统实验验证  71-80
  5.1 静态实验  71-74
  5.2 动态实验  74-79
    5.2.1 仿真机体运动  74-76
    5.2.2 跑车实验  76-79
  5.3 本章小结  79-80
结论  80-81
参考文献  81-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86

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