远程自主水下航行器GPS/INS组合导航算法研究

论文摘要

对于远程自主水下航行器而言，由于其远程性和自主性，加上水下环境复杂，其导航和定位的精度很难保证。为了提高导航的精度，除了提高硬件设备性能外，高效、精确的滤波算法也是提高导航精度的一个有效手段。本文对组合导航系统的算法编排和滤波算法进行了设计与仿真研究。具体工作如下： 1、在捷联惯导的算法编排中，四元数的初始提取和实时更新是制约捷联矩阵解算速度与精度的两个关键问题。通过最佳归一化处理，避免了姿态角方向余弦矩阵正交规范化计算，优化了四元数初始提取算法。采用最小参数法求解四元数微分方程，优化了四元数实时更新算法。经仿真实验证明，优化算法不仅提高了解算精度，而且极大的提高了计算速度。 2、建立了GPS系统的状态空间模型：定常速度模型和定常加速度模型。并在分析GPS主要误差的基础上，推导了适用于本文的GPS的定常速度误差模型。 3、对卡尔曼滤波算法进行了改进：在基于序贯处理的基础上，提出了滤波增益矩阵的降阶算法；设计了基于矩阵外积法的一步预测均方误差阵的改进算法。经仿真实验证明，改进算法有效的提高了滤波算法的计算效率。 4、利用改进的卡尔曼滤波算法设计了SINS／GPS组合导航系统，并进行了经典算法和改进算法的仿真对比。仿真结果表明，改进的卡尔曼卡尔曼滤波算法具有较高的快速性、稳定性和精确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 远程 AUV的发展背景及现状
• 1.1.1 远程 AUV的发展背景
• 1.1.2 国内外发展现状
• 1.2 GPS/INS组合导航定位及其发展
• 1.2.1 GPS/INS组合系统的提出
• 1.2.2 GPS/INS组合的优点
• 1.2.3 GPS/INS组合系统的发展
• 1.3 问题的提出
• 第二章 GPS/INS导航定位理论基础
• 2.1 GPS导航与定位
• 2.1.1 GPS系统的组成
• 2.1.2 GPS测量中的坐标系和时间系统
• 2.1.3 GPS系统的基本原理
• 2.2 INS导航与定位
• 2.2.1 惯导系统的结构
• 2.2.2 惯导系统常用坐标系及变换关系
• 2.2.3 惯性导航系统的基本原理
• 2.3 四元数代数理论及其在GPS/INS中的应用
• 2.3.1 四元数代数
• 2.3.2 四元数在 GPS/INS问题中的应用
• 2.4 小结
• 第三章 INS导航定位方程及其算法优化
• 3.1 地球坐标系中的力学编排
• 3.1.1 INS在地球坐标系下表示的导航方程
• 3.1.2 地球坐标系中的力学编排框图
• 3.1.3 地球坐标系下的力学编排计算公式
• 3.1.4 地球坐标系和当地水平坐标系下力学编排的对比
• 3.2 SINS中的捷联矩阵四元数算法优化
• 3.2.1 初始四元数提取算法优化及仿真
• 3.2.2 四元数实时更新算法优化及仿真
• 3.3 小结
• 第四章 GPS系统的状态空间模型
• 4.1 运动学模型
• 4.2 GPS的状态空间模型
• 4.3 GPS误差分析
• 4.3.1 定常速度误差模型
• 4.3.2 定常加速度误差模型
• 4.4 小结
• 第五章 改进的INS/GPS组合导航卡尔曼滤波算法
• 5.1 Kalman滤波器
• 5.1.1 Kalman滤波基本方程
• 5.2 Kalman滤波的序贯处理
• 5.2.1 量测噪声方差阵为分块对角阵时的序贯处理
• 5.2.2 量测噪声方差阵为非分块对角阵时的序贯处理
• 5.3 基于矩阵外积法的预测均方误差快速算法
• 5.4 基于序贯处理、矩阵外积法的卡尔曼滤波算法设计
• 5.4.1 组合导航系统的状态方程
• 5.4.2 组合导航系统测量方程
• 5.4.3 组合导航系统卡尔曼滤波器设计
• 5.4.4 仿真设计及结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文
• 致谢