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基于光纤陀螺的定位定向系统的设计与研究

2020-12-16阅读(887)

基于光纤陀螺的定位定向系统的设计与研究

论文摘要

采用组合导航方式的定位定向系统以其高精度、低成本的特点被逐渐应用于各相关领域,而这其中的一个发展方向就是以捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System, SINS）与全球定位系统（Global Positioning System, GPS）相结合构成的组合导航系统。SINS与GPS具有很强的互补性,将两种导航方式进行充分的组合可满足高精度、高连续性、高可靠性的导航需求。光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光电式传感器,可测量得到高精度的角速度值,为定位定向系统提供高精度的角度信息。本论文针对基于光纤陀螺的定位定向系统及SINS与GPS组合导航系统的信息融合进行了设计与研究,内容主要包括以下几个方面：1.本文首先分析了选题的研究背景和意义,简要介绍了捷联惯性导航系统、全球定位系统和SINS/GPS组合导航系统的发展概况,同时对光纤陀螺仪的发展概况及特点进行了简单的说明。2.阐述了SINS/GPS组合导航系统按组合方式分类得到的三种类型：松散组合、紧密组合和超紧组合方式。同时,对这三种导航系统组合方式的基本结构和工作过程进行了分析和比较,为SINS与GPS的数据融合提供了理论支持。3.对系统硬件部分做出了整体设计,并简要阐述了所设计出的硬件系统结构,同时对系统中测量器件的选择标准做了介绍：具体介绍了系统中光纤陀螺仪、加速度计、GPS接收机和FPGA的器件工作原理、性能特点,最后根据硬件设计时对元器件选型依据和要点,选择了适合系统的相关元器件。4.对系统算法进行了研究并对软件进行了设计,讨论了寻北的原理和方法；分别对捷联惯导系统和GPS系统的导航算法进行了分析,建立了数学模型；通过对Kalman滤波算法的阐述,建立了SINS/GPS组合导航系统卡尔曼滤波器的数学模型并就软件方面进行了设计。5.在对系统调试通过后,对系统进行了系列实验。实验包括：（1）对系统中的惯性测量器件进行了标定实验；（2）对系统进行了寻北的相关实验,包括重复性实验和四位置实验,通过实验证实了系统寻北的稳定性和坐标系中四个不同象限上的寻北能力；（3）对SINS/GPS组合导航系统进行了静态实验,证明了系统能够完成定位定向的任务,组合导航系统的导航解算正确。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 选题的背景及意义
  • 1.2 课题研究相关学科发展及概况
  • 1.2.1 捷联惯性导航系统发展及概况
  • 1.2.2 全球定位系统发展及概况
  • 1.2.3 SINS/GPS组合导航系统发展及概况
  • 1.2.4 光纤陀螺仪发展及概况
  • 1.3 论文研究内容
  • 第2章 SINS/GPS系统组合方式
  • 2.1 松散SINS/GPS组合方式
  • 2.1.1 集中式卡尔曼滤波组合方式
  • 2.1.2 分布式卡尔曼滤波组合方式
  • 2.2 紧密SINS/GPS组合方式
  • 2.3 超紧SIS/GPS组合方式
  • 2.3.1 常规组合方式
  • 2.3.2 矢量跟踪组合方式
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 系统硬件实现方案研究
  • 3.1 系统硬件结构设计
  • 3.2 主要元器件选型
  • 3.2.1 光纤陀螺仪
  • 3.2.2 加速度计
  • 3.2.3 GPS接收机
  • 3.2.4 FPGA芯片选型
  • 3.3 本章小结
  • 第4章 系统算法研究与软件设计
  • 4.1 参考坐标系和地球参数说明
  • 4.1.1 参考坐标系定义
  • 4.1.2 地球参数的相关说明
  • 4.2 寻北方法
  • 4.2.1 单位置寻北法
  • 4.2.2 二位置寻北法
  • 4.2.3 四位置寻北法
  • 4.3 捷联惯导系统算法设计
  • 4.3.1 SINS基本原理
  • 4.3.2 姿态矩阵计算
  • 4.3.3 输出信息更新
  • 4.3.4 陀螺仪与加速度计仿真模型
  • 4.4 全球定位系统（GPS）导航定位
  • 4.4.1 全球定位系统的组成
  • 4.4.2 全球定位系统（GPS）定位的原理
  • 4.4.3 卫星在轨计算
  • 4.5 卡尔曼滤波算法
  • 4.5.1 线性卡尔曼滤波法
  • 4.5.2 扩展卡尔曼滤波
  • 4.6 SINS/GPS组合导航系统卡尔曼滤波器的设计
  • 4.6.1 数学模型的建立
  • 4.6.2 SINS/GPS组合导航系统的软件设计
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 系统调试实验及仿真结果分析
  • 5.1 惯性测量器件的标定
  • 5.1.1 惯性器件标定的数学模型
  • 5.1.2 三轴转台组合标定试验设计
  • 5.1.3 实验结果
  • 5.2 寻北实验
  • 5.2.1 寻北实验方案
  • 5.2.2 寻北实验数据
  • 5.3 SINS/GPS定位定向系统实验
  • 5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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