SINS/GPS/EC组合导航系统设计与实验研究

论文摘要

组合导航系统是提高导航系统性能价格比的有效途径。本文设计并实现了SINS/GPS/EC三种导航数据的融合,提高了系统整体导航性能。首先,重点对SINS子系统进行了设计分析。从典型MIMU器件入手,进行了实验研究。采用时间序列分析法对其中主要器件ADIS16350微型陀螺作了ARMA模型辨识,并设计了卡尔曼滤波器,减小其输出噪声,为提高系统精度提供了有效手段。通过对比几种方法的计算精度和解算时间,选择采用工程上实用的四元数捷联导航系统的算法。分析了捷联惯导系统的误差源,并根据所选用器件性能对系统精度进行了预估。然后,对SINS/GPS/EC组合导航系统滤波器设计进行了研究。分析介绍了各个子系统的特点。针对SINS/GPS组合,在常规位置、速度组合的基础上进行了改进,设计了位置、速度两个子滤波器,把GPS的位置和速度信号分别和SINS子系统组合,这样可以有效消除速度跳变的影响。再结合EC子系统构成一个包含三个子滤波器的联邦卡尔曼滤波器。仿真验证,该滤波器容错性能良好,丢失GPS信号时,组合系统可以在较长时间内保持较高的精度。最后给出了该装置总体软硬件实现方案。在系统调试及测试过程中,系统软硬件工作稳定可靠。并对捷联系统和组合系统进行了静态测试。实验结果表明本文采用的算法是有效的,能正确运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微惯性器件
• 1.2.2 捷联惯性导航系统
• 1.2.3 组合导航系统
• 1.2.4 信息融合理论
• 1.3 论文的主要工作和章节安排
• 第2章 SINS/GPS/EC组合导航系统基本原理
• 2.1 引言
• 2.2 捷联式惯性导航系统原理
• 2.2.1 捷联式惯性导航系统组成
• 2.2.2 捷联式惯性导航系统的机械编排
• 2.3 卡尔曼滤波基本原理
• 2.3.1 卡尔曼滤波的系统描述
• 2.3.2 卡尔曼滤波在导航系统中应用的几个问题
• 2.4 联邦卡尔曼滤波理论
• 2.4.1 联邦卡尔曼滤波算法原理
• 2.4.2 联邦卡尔曼滤波器的结构与性能分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 SINS子系统的设计与分析
• 3.1 引言
• 3.2 SINS子系统结构
• 3.2.1 微型惯性测量组件
• 3.2.2 导航计算机
• 3.3 ADIS16350的数据预处理
• 3.3.1 陀螺常值漂移的测定与补偿
• 3.3.2 陀螺随机漂移建模和滤波器设计
• 3.4 坐标系相关问题以及姿态解算方法的选择
• 3.4.1 坐标系的引入
• 3.4.2 不同导航系下姿态角的确定问题
• 3.4.3 姿态解算方法的比较和选择
• 3.5 初始对准
• 3.6 系统误差分析与仿真
• 3.6.1 捷联惯性导航系统的主要误差源
• 3.6.2 误差方程分析及计算机仿真
• 3.6.3 SINS子系统误差分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 SINS/GPS/EC组合导航系统滤波器设计
• 4.1 全球定位系统（GPS）
• 4.1.1 GPS系统介绍
• 4.1.2 GPS误差模型
• 4.2 电子罗盘（EC）
• 4.2.1 EC简介
• 4.2.2 EC误差分析
• 4.3 SINS/GPS/EC组合导航系统滤波方案
• 4.3.1 系统结构
• 4.3.2 SINS/GPS组合原理
• 4.3.3 数学模型的建立
• 4.3.4 主滤波器融合算法
• 4.4 联邦滤波器仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统实现及实验分析
• 5.1 系统硬件结构
• 5.2 系统软件结构
• 5.3 系统实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢