SINS/GPS组合导航性能增强技术研究

论文摘要

导航技术在军事、工业以及民用等众多领域都有着广泛应用,如何提高导航精度和可靠性对于导航技术的推广应用具有重要意义。GPS与SINS互补性强,是实现组合导航的一种重要方案。论文是以GPS/SINS为基础,在信息融合技术的理论框架下,从引入其它外部测量信息和改进融合算法两个方向,重点研究了增强其可靠性、姿态精度和精度的稳定性的方法。在组合导航系统中往往使用采样频率不同的多种传感器。论文首先对联邦卡尔曼滤波的融合策略进行改进,提出了一种适合于多采样系统的融合策略,并证明了它与集中滤波的等价性。在此基础上,论文提出了一种自适应分散滤波方法,以达到在存在不确定性或软故障的情况下仍能获得较高精度的导航解的目的。同时,算法保留了联邦滤波的分散化结构,可以方便的支持故障隔离与重构。为了便于对后续研究内容进行评价和比较,论文接着建立了GPS/SINS组合导航系统,并对其性能进行了仿真。为提高GPS/SINS组合导航系统对姿态误差的观测能力,论文首先研究了采用多天线GPS增强系统姿态测量能力的方法,提出了一种天线配置结构,阐述了利用载波相位差分方法进行基线测量的原理,提出了两种利用基线直接观测平台误差角的方法,并与姿态误差角法和姿态四元数误差法进行了比较。结果表明,新方法的精度与姿态四元数法基本相当,优于姿态误差角法,且两条基线能够分时工作,计算量也没有增加。接下来,论文又对利用偏振光和地磁测量来增强组合导航系统姿态测量性能的方法进行了研究。论文推导了偏振光对平台误差的观测方程,阐述了利用偏振光辅助进行姿态观测的基本原理,以及启动偏振光观测的条件。为进一步提高该方法的性能,论文对使用多偏振光模块非平行观测、偏振模型精确化和传感器改进等措施进行了讨论,并证明了组合导航系统的完全随机可检性。论文提出了一种偏振光/GPS/SINS组合的结构配置方案,并进行了与GPS/SINS组合的对比仿真研究。结果表明,该方法具有稳定的姿态误差修正能力。接着,论文对采用地磁和偏振光双重辅助、具有直接的完全姿态测量能力的系统进行了研究,推导了地磁矢量观测平台误差角的观测方程,阐述了偏振光/地磁/GPS/SINS组合的配置方案和工作原理,并进行了仿真对比检验。结果表明该方法具有精度更高、更稳定的姿态误差修正效果。最后,论文研究了该

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 系统性能增强的途径
• 1.2.2 可用的辅助导航技术发展现状
• 1.2.3 多传感器信息融合技术的发展现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 组合导航系统自适应信息融合技术
• 2.1 引言
• 2.2 联邦Kalman滤波算法
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 标准联邦滤波算法
• 2.3 导航系统多采样率滤波方法
• 2.3.1 多采样率联邦滤波算法
• 2.3.2 多采样率联邦滤波算法的最优性
• 2.3.3 实际应用中的几点说明
• 2.4 一种新的自适应分散Kalman滤波算法
• 2.4.1 自适应分散滤波器算法
• 2.4.2 自适应分散滤波的性能
• 2.5 GPS/SINS组合方法
• 2.5.1 捷联惯导的力学编排与误差传播
• 2.5.2 捷联惯导的GPS修正方法
• 2.6 GPS/SINS组合导航系统性能仿真
• 2.6.1 仿真条件
• 2.6.2 仿真结果
• 2.7 本章小结
• 第3章 增强姿态测量性能的多天线GPS方法
• 3.1 引言
• 3.2 多天线GPS/SINS组合导航基本原理
• 3.2.1 GPS接收机载波相位模型
• 3.2.2 多天线GPS/SINS组合系统的配置方案
• 3.2.3 姿态的具体求解
• 3.3 多天线GPS/SINS组合
• 3.3.1 平台误差角与欧拉角误差的关系
• 3.3.2 多天线GPS/SINS组合算法结构
• 3.3.3 多天线GPS/SINS组合的观测方程
• 3.3.4 几种方法的比较
• 3.4 多天线GPS/SINS组合导航系统的仿真与分析
• 3.4.1 仿真算法的实现
• 3.4.2 仿真结果比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 偏振光和地磁辅助定姿方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 偏振光辅助测姿原理
• 4.2.1 偏振光测量原理
• 4.2.2 偏振光测量与平台误差角的关系
• 4.3 增强测姿性能的进一步讨论
• 4.3.1 多偏振光模块观测
• 4.3.2 偏振方向模型的进一步精确化
• 4.3.3 传感器的改进措施
• 4.4 偏振光/GPS/SINS组合导航方法
• 4.4.1 偏振光/GPS/SINS组合导航原理
• 4.4.2 偏振光/GPS/SINS组合导航仿真
• 4.5 地磁辅助增强姿态测量方法
• 4.5.1 地磁辅助测姿原理
• 4.5.2 偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法及仿真
• 4.5.3 时间、季节、位置变化引起的退化情况
• 4.6 对本论文提出的组合导航原理实验验证的计划
• 4.6.1 实验装置
• 4.6.2 初始对准
• 4.6.3 实验规划
• 4.7 本章小结
• 第5章 组合导航系统可靠性增强信息融合技术
• 5.1 引言
• 5.2 组合导航系统的冗余配置方案
• 5.2.1 一种增强可靠性的组合导航系统冗余配置方案
• 5.2.2 位置测量冗余的实现——SITAN地形辅助导航
• 5.3 组合导航系统中的双重阈值故障检测
• 5.3.1 组合导航系统的故障形式及成因
• 5.3.2 描述故障的数学模型和基本检测方法
• 5.3.3 双重阈值故障检测方法
• 5.4 在导航系统中的应用与仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历