经济型捷联航姿系统关键技术研究

论文摘要

本文对微机械陀螺/微机械加速度计/电子罗盘/GPS的经济型组合捷联航姿系统的关键技术及工程实现问题进行了深入研究和必要的工程实验,为该项技术的推广应用奠定了基础。传感器误差是影响姿态解算精度的主要因素。因此本文对传感器的误差进行分析和补偿,并对传感器的数据进行处理。重点研究了微机械陀螺的随机漂移误差建模方法,将小波分析理论引入到微机械陀螺的随机漂移建模中,提高了建模精度。从工程实用的角度出发,对现有捷联姿态算法进行分析和比较,得出四阶龙格库塔法更适合实际应用的结论。由于微机械陀螺长时间运行后存在较大的积累误差,本文采用基于Kalman滤波器的多传感器信息融合技术来修正该误差,并给出了Kalman滤波算法和四阶龙格库塔算法组合校正陀螺漂移误差的定姿算法。建立了组合航姿系统的试验系统,并通过对该系统的静、动态试验,验证了算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 组合航姿系统概述
• 1.3 微惯性传感器的发展概述
• 1.4 本论文研究的内容
• 第二章 姿态传感器误差分析与数据处理
• 2.1 引言
• 2.2 微机械陀螺
• 2.2.1 微机械陀螺的工作原理
• 2.2.2 微机械陀螺的误差
• 2.2.3 ARMA 模型
• 2.2.4 小波的多尺度分析特性
• 2.2.5 微机械陀螺的建模
• 2.3 微机械加速度计
• 2.3.1 微机械加速度计的工作原理
• 2.3.2 微机械加速度计的误差分析
• 2.3.3 微机械加速度计的数据处理
• 2.4 全球定位系统GPS
• 2.4.1 GPS 系统组成
• 2.4.2 GPS 定位原理
• 2.4.3 GPS 的误差
• 2.4.4 NMEA0183 协议
• 2.4.5 GPS 的数据处理
• 2.5 电子罗盘
• 2.5.1 电子罗盘的基本原理
• 2.5.2 电子罗盘的误差分析与补偿
• 2.6 传感器间的相互关系
• 2.7 本章小结
• 第三章 捷联航姿算法
• 3.1 坐标系
• 3.2 捷联姿态解算
• 3.3 四元数解姿态矩阵算法
• 3.3.1 四元数的定义
• 3.3.2 四元数表示转动的公式
• 3.3.3 四元数微分方程
• 3.3.4 四元数的四阶龙格库塔法
• 3.4 等效旋转矢量法
• 3.4.1 等效旋转矢量微分方程
• 3.4.2 四元数更新方程
• 3.5 典型圆锥运动下算法的误差分析
• 3.5.1 等效旋转矢量法的圆锥误差表达式
• 3.5.2 四元数四阶龙格库塔法的圆锥误差表达式
• 3.6 典型圆锥运动条件下的仿真比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 卡尔曼滤波算法的应用
• 4.1 引言
• 4.2 标准卡尔曼滤波
• 4.3 组合系统的卡尔曼滤波方程
• 4.3.1 欧拉角法构成的定姿Kalman 滤波器
• 4.3.2 误差四元数法构成的定姿Kalman 滤波器
• 4.4 组合定姿算法
• 4.5 本章小结
• 第五章 组合航姿测试系统的设计与验证
• 5.1 系统的总体设计
• 5.2 传感器介绍
• 5.3 数据采集部分
• 5.3.1 数据采集部分的硬件设计
• 5.3.2 数据采集部分的软件设计
• 5.4 数据处理部分
• 5.4.1 数据处理部分的硬件实现
• 5.4.2 数据处理部分的软件开发
• 5.5 系统的试验测试
• 5.5.1 静态数据分析
• 5.5.2 动态试验测试
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间研究成果