低成本组合导航系统研究

论文摘要

捷联惯性导航系统和全球定位系统所组成的组合导航系统综合了捷联惯导系统的高可靠性和全球定位系统高精度的优点,具有成本低廉、导航精度高、可靠性好的特点,是一种理想的组合方式。本论文中GPS/SINS组合导航系统具有两种组合方式,即无陀螺组合和有陀螺组合。其中,无陀螺组合方式姿态角的计算是通过加速度计和磁阻来完成的;有陀螺组合方式是在无陀螺组合方式的基础上,通过引进一个陀螺,来改善系统动态性能的一种方式。本文对两种组合导航系统中的滤波方法进行了深入研究,并设计了模拟仿真系统以检验滤波效果。本文首先介绍了导航系统的发展现状,继而介绍了捷联惯导系统的基本原理,建立了捷联惯导及GPS的误差模型,并阐述了卡尔曼滤波在GPS/SINS组合导航系统中的应用。其次,研究了GPS/SINS组合导航系统的组合方式。着重阐述了两种组合的组合导航系统的原理和特点,并继而针对各种卡尔曼滤波的不同特点建立了组合导航的状态方程和量测方程。最后,设计了GPS/SINS组合导航半物理仿真系统。利用数学方法模拟出载体轨迹,并仿真模拟陀螺仪、加速度计和磁阻的输出结果,和仿真的GPS数据组合,在此基础上设计了针对组合导航的卡尔曼滤波器、改进自适应滤波器,进行实验研究。实验结果表明自适应滤波器比卡尔曼滤波器的滤波效果要好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究内容及意义
• 1.2 导航系统概述
• 1.2.1 惯性导航系统
• 1.2.2 卫星导航系统
• 1.2.3 组合导航系统
• 1.3 论文内容安排
• 第二章 捷联惯性导航系统
• 2.1 概述
• 2.2 导航坐标系
• 2.2.1 常用坐标系简介
• 2.2.2 坐标系转换
• 2.3 姿态矩阵计算方法
• 2.3.1 陀螺测姿算法
• 2.3.1.1 姿态更新算法简介
• 2.3.1.2 姿态更新的四元数算法
• 2.3.2 加速度计/磁阻测姿算法
• 2.4 捷联惯导速度与位置更新算法
• 2.5 本章小结
• 第三章 GPS/SINS 组合导航设计
• 3.1 无陀螺GPS/SINS 组合导航系统设计
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 磁阻的罗差补偿
• 3.1.3 加速度计信号降噪
• 3.1.4 无陀螺GPS/SINS 数据融合算法
• 3.2 有陀螺GPS/SINS 组合导航系统设计
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 有陀螺GPS/SINS 数据融合算法
• 3.2.3 磁阻/DR 的组合导航方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 仿真系统设计与实验
• 4.1 组合导航仿真系统设计
• 4.2 轨迹发生器设计
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 姿态数据生成算法
• 4.2.3 轨迹数据生成算法
• 4.3 SINS 仿真系统设计
• 4.3.1 陀螺仪仿真器
• 4.3.2 加速度计仿真器
• 4.4 仿真实验与结果分析
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 无陀螺GPS/SINS 组合导航系统仿真
• 4.4.3 有陀螺GPS/SINS 组合导航系统仿真
• 4.4.3.1 有陀螺GPS/SINS 数据融合算法仿真
• 4.4.3.2 磁阻/DR 组合算法仿真
• 4.5 实测数据仿真
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表论文