高动态SINS导航解算算法及其并行化研究

论文摘要

随着电子行业与计算机技术的飞速发展,捷联式惯导系统(SINS)已经基本取代了平台式惯导系统,并成为未来惯性技术发展的总趋势。然而在在高动态的环境下,载体的剧烈运动对导航系统的精度提出了更高的要求,传统串行计算的导航计算系统面临严峻的挑战。为保证高动态环境下导航系统严格的实时性及精度,本文对捷联惯性导航解算算法做出新的改进,并且基于FPGA设计技术对算法的并行化实现方法进行了研究。具体来讲,本论文主要的研究工作包括以下几个方面：(1)本文系统地研究了捷联惯性导航系统导航解算算法,并在导航领域多速法的基础上进行改进,提出了采用单一更新速率的导航解算算法。(2)本文抛弃传统串行计算方式,结合单一更新速率导航解算的算法以及FPGA的并行计算特性,通过功能级与数据流级的分析,将导航解算算法实现了并行化处理,最终可实现姿态、速度、位置、地球相关参数的并行更新计算。(3)本文提出将导航算法模块化的方法,将并行处理后的SINS导航解算算法按功能划分为姿态计算、速度计算、位置计算和地球参数计算共4个模块,并在理论上对其计算量进行分析,在相同时钟频率下,并行处理后的导航解算算法更新速率将提高近30倍。本文对高精度的捷联惯性导航解算算法做出研究,并且基于FPGA设计技术对算法的并行化实现方法进行了研究,因此本文将有助于SINS高速导航解算领域的研究,对实际应用亦具有很高的参考价值。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性导航技术概述
• 1.1.1 惯性导航系统的重要地位
• 1.1.2 惯性导航系统的发展及趋势
• 1.2 捷联式惯性导航技术
• 1.2.1 捷联式导航解算算法研究现状
• 1.2.2 捷联式导航解算算法实现形式
• 1.3 本研究的意义及主要内容
• 第二章 捷联式惯性导航解算基本理论
• 2.1 惯性导航系统常用坐标系
• 2.2 捷联式惯导导航解算算法原理
• 2.2.1 姿态微分方程
• 2.2.2 速度微分方程
• 2.2.3 位置微分方程
• 2.3 地球相关参数计算
• 2.3.1 平移角速率计算
• 2.3.2 重力加速度计算
• 2.4 本章小结
• 第三章 高动态SINS导航解算算法设计
• 3.1 SINS导航解算算法分析
• 3.1.1 多速导航解算算法理论
• 3.1.2 算法更新速率仿真分析
• 3.2 单一更新速率导航解算算法设计
• 3.2.1 姿态更新计算
• 3.2.2 速度更新计算
• 3.2.3 位置更新计算
• 3.3 本章小结
• 第四章 导航解算算法的并行化设计
• 4.1 FPGA开发简介
• 4.1.1 FPGA原理及设计方法
• 4.1.2 FPGA计算功能
• 4.2 SINS导航解算流程总体设计
• 4.2.1 SINS导航解算算法模块划分
• 4.2.2 SINS导航解算算法并行化设计
• 4.3 SINS导航解算算法模块设计
• 4.3.1 总体模块设计
• 4.3.2 姿态计算模块设计
• 4.3.3 速度计算模块设计
• 4.3.4 位置计算模块设计
• 4.3.5 地球参数计算模块设计
• 4.3.6 模块形式设计
• 4.4 SINS导航系统实现方法研究
• 4.4.1 一体化总体设计
• 4.4.2 SINS导航系统数据采集
• 4.5 SINS导航解算算法并行化计算量分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结及展望
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间论文及荣誉情况