无陀螺捷联惯性导航系统算法研究

论文摘要

随着国防建设和国民经济建设的迅速发展,惯性导航技术日益成熟并得到广泛深入的应用,应用领域有航空、航天、航海、导弹、农用和车辆等方面。无陀螺捷联惯性导航系统(简称GFSINS)作为惯性导航的一个重要研究方向,已经逐渐引起了人们的重视,它舍弃了陀螺,通过全部加速度计的空间配置,依靠加速度计的输出比力信号解算出原来需要陀螺测量的载体角速度。该系统具有低成本、反应快、低功耗、结构紧凑等特点,课题中用到的微加速度计原理简单、性能好,应用前景广阔。舍弃了陀螺就避免了陀螺仪无法适应大角度和大角加速度测量的困难,因此,GFSINS的研究具有非常重要的实用价值。本文首先介绍了硬件系统的结构,硬件系统采用的九加速度计配置方案同文中提到的其它几种方案相比,配置更为合理,简单实用。后面涉及到的所有算法都要在这个硬件平台上进行测试验证。主要研究内容包括介绍了惯性导航系统中需要引入坐标系的原因及几种常用的坐标系,然后介绍了无陀螺捷联惯导系统的工作原理和利用加速度计代替速率陀螺测量载体角速度的数学原理,重点推导了无陀螺捷联惯导系统的加速度输出。角速度解算是研究的重点所在,角速度解算的算法有积分算法和开方算法,文中给出了一种改进的新算法,通过对这种新算法的仿真证明,相对于积分算法和开方算法来说,这种新算法可以提高解算的精度,而且具有能避免符号误判、解算误差有界等优点。捷联惯导系统的最终目的是得到载体的姿态、位置等信息以实现惯性导航,所以得到角速度后,要对捷联矩阵实时修正,捷联矩阵的修正有很多种方法,文中对捷联矩阵的几种即时修正算法进行了推导和比较,课题选用其中的旋转矢量法对捷联矩阵即时修正,可以适应将来高动态的应用环境。然后,着重对影响角速度解算的误差源中的安装误差存在的情况下,对输出公式从理论上进行了推导,并仿真分析；最后,分别提出了针对安装位置误差和安装方位误差的标校方法和补偿算法,根据补偿后的仿真图看出,补偿后效果明显,角速度解算精度得以提高,从而整个系统的精度也随之提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 捷联惯性导航系统
• 1.2 无陀螺捷联惯性导航系统
• 1.2.1 无陀螺捷联惯导系统的基本原理
• 1.2.2 发展概况及其特点
• 1.3 组合导航系统
• 1.4 主要问题和研究意义
• 1.5 论文研究的内容及主要工作
• 第2章 硬件平台介绍
• 2.1 PC/104工业控制计算机
• 2.2 STM32F103微控制器
• 2.3 GPS接收机和电子罗盘
• 2.4 MEMS加速度计
• 2.5 模数转换模块
• 2.6 本章小结
• 第3章 无陀螺捷联惯导系统的基本原理
• 3.1 坐标系的定义
• 3.2 无陀螺捷联惯导系统的工作原理
• 3.3 载体上任意一点的加速度输出
• 3.4 无陀螺惯性测量单元的加速度输出
• 3.5 本章小结
• 第4章 角速度解算及捷联矩阵的即时修正
• 4.1 加速度计配置方案的选择
• 4.1.1 六加速度计配置方案
• 4.1.2 九加速度计配置方案
• 4.1.3 硬件系统选用的配置方案
• 4.2 公式推导
• 4.3 角速度解算及仿真
• 4.3.1 开方算法
• 4.3.2 角速度解算新方法
• 4.4 捷联矩阵的即时修正
• 4.4.1 四元数法
• 4.4.2 欧拉角法
• 4.4.3 方向余弦法
• 4.4.4 旋转矢量法
• 4.4.5 各种算法的比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 安装误差条件下的角速度解算及补偿
• 5.1 安装误差条件下的角速度解算
• 5.2 安装位置误差条件下的角速度解算
• 5.2.1 安装位置误差条件下的角速度解算
• 5.2.2 安装位置误差存在时的角速度解算仿真
• 5.2.3 安装位置误差参数的标校补偿
• 5.2.4 安装位置误差参数补偿后的仿真
• 5.3 安装方位误差条件下的角速度解算
• 5.3.1 安装方位误差条件下的角速度解算
• 5.3.2 安装方位误差存在时的角速度解算仿真
• 5.3.3 安装方位误差参数的标校补偿
• 5.3.4 安装方位误差参数补偿后的仿真
• 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