旋转方位和大失准角下的捷联惯导初始对准算法研究

论文摘要

惯性导航系统具有完全自对准的特点,其初始对准精度和对准时间直接影响惯性导航系统的工作精度和反应时间。因此,对准精度和对准速度是惯性导航初始对准中的两个重要指标。论文对进一步提高捷联惯性导航系统初始对准精度和速度的方案和算法进行研究,对提高捷联惯性导航系统的性能具有重要意义。论文针对捷联惯导系统静基座对准时可观测性差的特点,提出了连续旋转方位轴式的初始对准方案。采用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值分解分析方法,分析了不同角运动对系统可观测性的影响,并定量地比较了不同对准方式中的系统状态的可观测度。在粗对准后失准角为小角量的情况下,进行了不同对准方式的仿真对比研究,结果表明连续旋转方位轴式初始对准对方位失准角的估计精度较二位置对准方式提高了一倍。为减少对准时间,论文提出了捷联惯导系统直接在大失准角下的初始对准方案,研究了适用于大失准角对准中的非线性误差模型和滤波算法。根据捷联惯导系统在大失准角下的姿态误差方程,推导了基于加性四元数的系统误差模型,仿真结果表明该误差模型适用于三个失准角都为大角度的初始对准系统。针对捷联惯性导航系统初始对准中的线性观测方程提出了简化的平淡卡尔曼滤波(UKF)算法,并与扩展卡尔曼滤波(EKF)进行了初始对准仿真对比研究,结果表明UKF的收敛速度和精度均好于EKF。在理论分析与仿真验证的基础上,论文采用分布式系统结构设计开发了捷联惯导初始对准仿真软件,为捷联惯导初始对准方案的研究、验证提供了有效的研究手段和环境。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 捷联式惯导系统初始对准技术
• 1.2 初始对准技术的发展概况
• 1.3 论文的研究目的和意义
• 1.4 论文研究内容
• 第二章 捷联惯导系统初始对准基本理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 常用坐标系与姿态矩阵
• 2.2.1 常用坐标系的定义
• 2.2.2 姿态矩阵更新算法
• 2.3 捷联式惯导系统的初始对准理论
• 2.3.1 解析粗对准原理
• 2.3.2 精对准基本原理
• 2.4 卡尔曼滤波在初始对准中的应用研究
• 2.4.1 卡尔曼滤波理论
• 2.4.2 卡尔曼滤波器在初始对准中的应用
• 2.5 本章小结
• 第三章 捷联惯导系统连续旋转式初始对准研究
• 3.1 引言
• 3.2 SINS 连续旋转式初始对准
• 3.3 SINS 连续旋转式对准中的可观测性分析
• 3.3.1 PWCS 分析理论与方法
• 3.3.2 SINS 不同旋转式对准中的可观测性分析结果
• 3.4 SINS 连续旋转式对准中的可观测度分析
• 3.4.1 基于奇异值分解的可观测度分析
• 3.4.2 SINS 不同旋转方式时可观测度分析结果
• 3.5 捷联惯导系统初始对准数值仿真
• 3.5.1 仿真条件设置
• 3.5.2 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 UKF 滤波在SINS 大失准角初始对准中的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 大失准角下初始对准误差模型研究
• 4.2.1 SINS 四元数姿态误差模型
• 4.2.2 SINS 四元数速度误差模型
• 4.3 UKF 非线性滤波理论
• 4.3.1 Unscented 变换原理
• 4.3.2 UKF 滤波原理
• 4.3.3 混合系统的UKF 滤波方法
• 4.4 大失准角下的初始对准数值仿真
• 4.4.1 仿真方案
• 4.4.2 仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 捷联惯导初始对准软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 初始对准软件系统的总体结构
• 5.3 初始对准软件设计
• 5.3.1 IMU 仿真器的设计
• 5.3.2 初始对准软件中的SINS 算法的设计
• 5.3.3 初始对准软件中的滤波器的设计
• 5.4 初始对准系统软件的实现
• 5.4.1 粗对准试验
• 5.4.2 精对准试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文所做的主要工作
• 6.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文