精确制导炸弹低成本惯导/卫星组合导航方法研究

论文摘要

以某型精确制导炸弹为应用对象,对弹载低成本MEMS惯导与卫星的组合导航方法进行了深入的研究与分析,内容涉及算法研究、硬件设计、软件实现、工程实验等多个方面。所作的工作可以归纳如下:（1）对MIMU组合结构的器件误差标定技术进行了研究,设计了一种捷联惯性测量组合无须北向基准的标定方法;并对捷联惯性导航的误差模型以及基本解算方法进行了研究,包括高精度的姿态矩阵计算方法,速度、位置的计算方法等。（2）对MINS/GPS松耦合模式下的导航算法进行了研究,根据奇异值可观测理论对系统进行了分析,设计了一种降阶卡尔曼滤波算法,数字仿真结果比较理想,采用降阶滤波器可提高导航系统的实时性,降低硬件成本。（3）对MINS/GPS紧耦合模式下的滤波算法进行了研究,分析了滤波发散的现象,并给出了改进的滤波方法,对低精度的惯导与GPS的组合设计了一种改进的SRUKF非线性滤波算法,并与EKF进行了仿真对比,结果表明改进SRUKF的滤波精度较高。（4）在MINS/GPS组合中由于MEMS惯导精度较低,离开了GPS就无法单独导航,但采用GPS系统战时会受制于人,因此制导炸弹的导航系统不能对其完全信赖。对MINS/北斗/GPS多传感器信息融合算法进行了研究,提出了一种改进的非等间隔联邦滤波器,这种滤波算法除了具有非等间隔联邦滤波器的优点即可以解决各局部滤波器的量测信息的周期不同外,还具有抑制因计算方法不完善或系统噪声统计特性不确切而引起的滤波发散的功能。（5）根据某型精确制导炸弹的特点设计了一种基于浮点DSP+FPGA+MCU的组合导航原理样机。完成了系统的硬件设计、软件设计以及代码实现等工作,针对GPS与惯导数据不同步等问题,在基于浮点DSP+FPGA+MCU的组合导航系统硬件平台上设计了高精度信息同步的算法。（6）对所设计的组合导航原理样机进行了大量的实验考核。如,三轴转台实验、地面跑车实验、飞机挂飞实验、投弹实验等,最终的实验结果均比较理想,导航系统测姿、定位精度较高,设计的弹载组合导航系统原理样机可以满足实际工程的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展
• 1.2.1 基于MEMS的惯性仪表及导航系统的发展
• 1.2.2 卫星导航定位系统的发展
• 1.2.3 组合导航系统及其数据融合技术的发展
• 1.3 本文的主要内容
• 2 MINS基本原理研究
• 2.1 引言
• 2.2 MIMU的组合结构的器件误差标定补偿技术
• 2.2.1 MIMU的误差模型
• 2.2.2 MIMU的整体误差系数的标定方法
• 2.3 捷联惯性导航基本算法编排
• 2.3.1 姿态矩阵的计算
• 2.3.2 导航参数的计算
• 2.3.3 捷联惯性导航误差模型
• 2.4 小结
• 3 MINS/GPS组合导航算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 GPS导航定位原理及误差分析
• 3.2.1 GPS导航定位原理
• 3.2.2 GPS误差模型
• 3.3 MINS/GPS组合导航滤波器的设计方法
• 3.3.1 组合导航滤波结构和滤波算法
• 3.3.2 MINS/GPS组合模式
• 3.3.3 组合系统的估计方法
• 3.3.4 组合滤波器的校正方法
• 3.4 松耦合算法实现及仿真
• 3.4.1 组合系统状态方程
• 3.4.2 组合系统的量测方程
• 3.4.3 系统方程的离散化
• 3.4.4 系统的数字仿真
• 3.5 组合导航降阶卡尔曼滤波器的设计
• 3.5.1 组合导航系统可观测性理论分析
• 3.5.2 降阶滤波器的设计
• 3.6 小结
• 4 MINS/GPS紧耦合系统中滤波算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 紧耦合基本算法研究
• 4.2.1 组合系统状态方程与量测方程
• 4.2.2 常规卡尔曼滤波改进算法研究及仿真
• 4.3 紧耦合系统中非线性滤波方法研究
• 4.3.1 MINS大失准角下的四元数误差方程
• 4.3.2 广义卡尔曼滤波
• 4.3.3 Unscented卡尔曼滤波应用研究
• 4.3.4 一种改进的SRUKF滤波
• 4.4 小结
• 5 MINS/GPS/北斗容错组合导航算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 北斗卫星导航系统分析
• 5.2.1 北斗卫星导航定位原理
• 5.2.2 北斗卫星导航系统误差分析
• 5.3 MINS/GPS/北斗组合联邦滤波器的设计
• 5.3.1 联邦滤波结构与算法研究
• 5.3.2 非等间隔联邦滤波算法的设计
• 5.3.3 非等间隔联邦滤波算法的改进
• 5.3.4 系统故障检测理论
• 5.4 MINS/GPS/北斗组合导航系统的实现与仿真
• 5.4.1 MINS/GPS/北斗组合导航系统联邦滤波器模型
• 5.4.2 MINS/GPS/北斗组合导航系统子系统模型
• 5.4.3 系统仿真分析
• 5.5 小结
• 6 基于DSP+FPGA+MCU的弹载组合导航系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 系统的硬件设计
• 6.2.1 DSP高速处理器模块
• 6.2.2 存储器电路
• 6.2.3 FPGA通信模块
• 6.2.4 MIMU数据采集模块
• 6.2.5 光隔模块
• 6.2.6 惯性测量单元与卫星接收机模块
• 6.3 系统的软件设计
• 6.3.1 嵌入式导航软件系统概述
• 6.3.2 TMS320C6713DSP的软件开发方法
• 6.3.3 MINS/GPS组合导航系统软件组成
• 6.3.4 组合导航软件中信息同步的处理
• 6.4 小结
• 7 组合导航系统的实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 实验系统组成和结构
• 7.3 MINS/北斗组合导航系统的静置实验
• 7.4 MINS/GPS组合导航系统的三轴转台实验
• 7.5 MINS/GPS组合导航系统的地面跑车实验
• 7.6 MINS/GPS组合导航系统的飞机挂飞实验
• 7.7 MINS/GPS组合导航系统的投弹实验
• 7.8 小结
• 8 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文