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高动态下激光捷联惯导系统算法研究与实现

作　者: 魏纪林
导　师: 曾庆双
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 捷联惯导圆锥效应划船效应补偿算法三轴转台
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

惯性导航因其不受外界环境任何干扰的独特优势而成为导弹、飞机、舰船等运载体最为重要的制导方式。近年来采用激光陀螺作为敏感元件的捷联式惯导系统发展势头迅猛，但精度问题已经成为其进一步发展的瓶颈，这也是其在高精度导航领域无法取代平台式惯导系统的主要原因。提高捷联系统精度的途径有多种，综合考虑成本、实用性、技术难度等因素，采用高精度导航算法是解决这一问题的理想途径。本文正是针对这一问题而展开研究的。本文的研究工作主要包括以下三个部分：(1)对捷联惯导系统进行了详细的误差分析。在对捷联惯导系统的基本工作原理进行阐述的基础上，本文重点从惯性器件误差、导航算法误差、圆锥误差等几个方面详细分析了捷联惯导系统的误差来源及其对导航精度的影响。(2)以典型圆锥运动和典型划船运动为检验环境，对高动态环境下捷联惯导系统的姿态算法、速度算法和位置算法进行了深入研究。提出了姿态更新的精度准则，对等效旋转矢量多子样算法及其在典型圆锥运动下的的优化形式进行了推导，对多子样加前一周期角增量算法也进行了研究。对圆锥优化算法在其它动态环境中的最优性问题进行了研究，得出了相应结论。对速度解算中的划船效应误差和位置解算中的涡卷效应误差进行了研究，提出了相应补偿算法，并推导了在典型划船运动下补偿算法的优化形式。(3)设计了以PC/104为导航计算机的激光陀螺捷联惯导系统实物，在VC++6.0环境下开发了用于导航计算机串口通信的上位机控制软件。对惯组进行标定，完成了LSINS系统的初始对准。在实验室三轴精密转台上进行了实际的导航实验。通过对实验结果的分析，得到了一些在工程上较为实用的结论。本文的理论研究和实验结果表明，在其它条件一定的情况下，采用高精度导航算法能够对系统中的误差因素进行有效的抑制和补偿，可以显著提高系统的导航精度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究目的和意义  10-13
    1.1.1 导航技术发展历程  10-11
    1.1.2 惯性导航的独特优势及其军事应用  11-12
    1.1.3 捷联惯导的特点及提高精度的措施  12-13
  1.2 捷联算法的发展历程及研究现状  13-15
  1.3 论文主要研究内容  15-16
第2章捷联惯导系统基本理论  16-28
  2.1 引言  16
  2.2 几种常用坐标系及其变换关系  16-18
    2.2.1 常用坐标系定义  16-17
    2.2.2 坐标系之间的变换关系  17-18
  2.3 捷联惯导系统的工作原理  18-25
    2.3.1 捷联惯导系统原理框架  18-20
    2.3.2 捷联矩阵的更新方法  20-24
    2.3.3 姿态角提取方法  24
    2.3.4 惯导系统基本方程和速度解算  24-25
    2.3.5 经、纬度和高度解算  25
  2.4 更新周期的划分  25-26
  2.5 惯性器件的标定技术  26
  2.6 初始对准技术  26-27
    2.6.1 初始对准的分类  26-27
    2.6.2 初始对准结果对惯导系统的影响  27
  2.7 本章小结  27-28
第3章捷联惯导系统误差分析  28-39
  3.1 引言  28
  3.2 惯性器件误差  28-30
    3.2.1 陀螺仪漂移和加速度计零偏  28-29
    3.2.2 惯性器件刻度因数误差  29
    3.2.3 惯性器件安装误差  29-30
  3.3 捷联算法误差方程  30-32
    3.3.1 姿态误差方程  31
    3.3.2 速度误差方程  31-32
    3.3.3 位置误差方程  32
  3.4 圆锥效应分析  32-33
  3.5 划船效应分析  33-36
  3.6 涡卷效应分析  36-38
  3.7 本章小结  38-39
第4章高动态下捷联算法研究  39-66
  4.1 引言  39
  4.2 Bortz方程的求解  39-44
    4.2.1 单回路求解法  39-42
    4.2.2 双回路求解法  42-44
  4.3 典型圆锥运动下的优化算法  44-52
    4.3.1 锥运动描述  44-46
    4.3.2 算法精度评价标准  46-48
    4.3.3 优化系数的确定  48-52
  4.4 圆锥优化算法对动态环境的适应性  52-57
    4.4.1 规则进动  52-54
    4.4.2 随机角运动  54-55
    4.4.3 低动态环境  55-57
  4.5 速度更新算法  57-61
    4.5.1 划船效应补偿算法  57-59
    4.5.2 划船算法的优化形式  59-61
  4.6 位置更新算法  61-65
    4.6.1 涡卷效应补偿算法  61-63
    4.6.2 涡卷算法的优化形式  63-65
  4.7 本章小结  65-66
第5章三轴精密转台上捷联算法验证  66-87
  5.1 引言  66
  5.2 LSINS系统实物的模块化设计  66-69
    5.2.1 惯组设计及器件选型  66-68
    5.2.2 I-F转换电路板  68
    5.2.3 信号采集卡  68
    5.2.4 电源板  68
    5.2.5 导航计算机及接口  68-69
  5.3 上位机软件设计  69-70
  5.4 惯组标定  70-71
  5.5 初始对准与寻北  71
  5.6 系统功能验证性实验  71-73
  5.7 姿态算法的转台实验  73-86
    5.7.1 实验设计及安排  73-74
    5.7.2 实验数据处理  74-85
    5.7.3 实验现象及原因分析  85
    5.7.4 实验结论  85-86
  5.8 本章小结  86-87
结论  87-89
参考文献  89-94
致谢  94

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