地形联测车组合导航系统的设计与实现

论文摘要

地形联测车是组成现代防空作战系统的主要装备，它主要提供阵地地形信息和位置信息，引导武器系统机动作战。导航系统是地形联测车的主要设备之一，主要用于测量车辆三维位置信息和三维姿态信息。目前使用的导航系统主要是惯导系统，其他的辅助导航系统包括GPS导航系统、航位推算系统、地图匹配系统等。地形联测车在导航精度、启动快速性、系统冗余和可靠性方面都有较高的要求，虽然随着新型惯性元件出现导航系统在导航精度上有了很大的提高，但是单个导航系统一般情况下是不能同时符合地形联测车所有的要求。因此，如何利用导航设备，通过各个系统间的相互组合，使得系统具有较高导航精度和较短初始对准时间的同时还具有较低的制造成本具有重要意义。本文首先介绍了国内外车辆组合导航系统和光纤陀螺的研究现状，简略推导了光纤陀螺、GPS、里程仪的工作原理。介绍了平台式惯导系统和捷联式惯导系统的基本原理，介绍了两种惯导系统的基本组成，比较了两者之间的优缺点，结合第三代地形联测车系统的要求，选取光纤陀螺取代了之前一直使用的传统机械式陀螺，同时为降低系统的成本和系统小型化的要求，选取了捷联系统。介绍了光纤陀螺仪和加速度计的主要误差源，根据两者的工作原理，最终得到了它们的数学模型。根据数学模型的特点设计了标定实验，通过三轴多功能转台进行数据采集，最后拟合得到了完整的陀螺仪和加速度计的数学误差模型。针对系统工作的要求，实现了静基座条件下的粗对准，设计实现了基于卡尔曼滤波器的精对准，在对准时间和对准精度上都有了较高的要求。其中，在设计卡尔曼滤波器过程中，详细推导了捷联系统的误差方程。设计了捷联式惯导系统（SINS）与全球卫星定位系统（GPS）组合、捷联式惯导系统与航位推算系统（DR）组合的两种松耦合组合导航的方式。采用了基于位置和速度为观测量的卡尔曼滤波器，最后通过仿真实验验证了各种运动情况下滤波器的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 导航系统概述
• 1.2 车辆组合导航系统研究现状
• 1.2.1 车辆导航系统研究现状
• 1.2.2 光纤陀螺研究现状
• 1.3 课题的研究背景和意义
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文的结构安排
• 第2章 光纤陀螺捷联式惯导系统简介
• 2.1 惯导系统的基本原理
• 2.1.1 平台式惯导系统的基本原理
• 2.1.2 捷联式惯导系统的基本原理
• 2.2 捷联式惯导系统中的基本关系
• 2.2.1 常用的坐标系
• 2.2.2 惯导基本方程
• 2.2.3 常用坐标系变换
• 2.3 光纤陀螺仪工作原理
• 2.4 全球卫星导航定位系统和航位推算系统
• 2.4.1 GPS 定位原理
• 2.4.2 航位推算系统工作原理
• 2.5 光纤陀螺捷联惯导系统的设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 光纤捷联惯导系统的标定
• 3.1 引言
• 3.2 惯性组件的误差源及误差的数学模型
• 3.2.1 光纤陀螺的误差源和数学模型
• 3.2.2 石英加速度计的误差源和数学模型
• 3.3 捷联惯导系统标定实验设计
• 3.3.1 安装误差角标定实验
• 3.3.2 速率实验
• 3.3.3 位置实验
• 3.3.4 零位误差修正实验
• 3.3.5 实验数据处理
• 3.3.6 随机噪声的 Allan 方差分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 捷联惯导系统的初始对准
• 4.1 初始对准简介
• 4.2 捷联系统的姿态解算
• 4.2.1 捷联矩阵的及时修正
• 4.2.2 姿态解算过程
• 4.3 捷联惯导系统粗对准
• 4.4 捷联惯导系统精对准
• 4.4.1 卡尔曼滤波器的基本原理
• 4.4.2 速度误差方程
• 4.4.3 位置误差方程
• 4.4.4 姿态误差方程
• 4.4.5 精对准卡尔曼滤波器的设计
• 4.5 对准重复度实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 组合导航系统
• 5.1 组合导航简介
• 5.2 组合导航系统的设计与仿真
• 5.2.1 SINS/GPS 组合导航系统的设计与仿真
• 5.2.2 SINS/DR 组合导航系统的设计与仿真
• 5.3 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