船载卫星天线测姿系统初始对准技术研究

论文摘要

船载卫星天线的姿态测量单元采用微机械(MEMS)惯性传感器和磁强计作为测量元件,具有体积小、重量轻和成本低等优点。论文从实际情况出发,针对微机械惯性传感器的特点,提出动基座上MEMS姿态测量单元(MAMU)的初始对准方案。根据传感器参数的温漂特点,建立了MEMS惯性传感器和磁强计的误差模型。根据动基座上卫星天线的运动特点,通过蒙特卡洛仿真实验,得到了动基座上MEMS姿态测量单元的噪声方差,建立了MEMS姿态测量单元的误差模型。应用奇异值(SVD)方法,定量地分析了摇摆情况下滤波方程的能观度,预测了卡尔曼滤波中各个状态变量的收敛速度。目前,解决动基座上捷联惯导系统(SINS)的初始对准问题主要有两种方法。一是用GPS辅助SINS进行初始对准,即采用GPS/SINS组合技术实现惯性导航系统的初始对准。或者利用惯导系统自身提供的量测信息进行初始对准。前者较适合线动幅度超过20cm的情况,后者适合线晃动幅度小于20cm的情况。针对MEMS姿态测量单元在实际初始对准过程中可能出现的不同情况分别提出了两种初始对准方案。建立了MEMS姿态测量单元的大方位失准角误差模型,并应用扩展卡尔曼滤波较理想的解决了动基座上大方位失准角的MEMS姿态测量单元的初始对准问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 微机械惯性系统简介
• 1.2.1 微机械惯性测量元件的发展状况
• 1.2.2 基于MEMS惯性器件的捷联式惯性系统的研究概况
• 1.3 船载卫星天线稳定系统简介
• 1.3.1 船载卫星天线稳定系统组成
• 1.3.2 船载卫星天线稳定系统工作原理
• 1.4 初始对准技术理论的发展现状
• 1.4.1 惯导系统初始对准的研究内容
• 1.4.2 惯导系统初始对准方法
• 第2章 捷联惯导系统的工作原理及基本概念
• 2.1 捷联惯导系统的工作原理
• 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
• 2.2.3 姿态矩阵更新算法
• 2.3 捷联式惯导系统初始对准简介
• 2.3.1 解析粗对准原理
• 2.3.2 精对准原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 MEMS姿态测量单元的模型建立
• 3.1 MEMS姿态测量单元中惯性仪表的误差模型
• 3.1.1 MEMS加速度计确定性误差模型
• 3.1.2 MEMS陀螺仪确定性误差模型
• 3.1.3 MEMS陀螺仪随机误差模型
• 3.2 MEMS姿态测量单元的系统模型
• 3.2.1 MEMS姿态测量单元的运动分析与建模
• 3.2.2 MEMS姿态测量单元的误差模型
• 3.2.3 MEMS姿态测量单元的初始对准模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 MEMS姿态测量单元的能观度分析
• 4.1 系统误差能观性的判别
• 4.2 应用奇异值方法分析系统的能观度
• 4.2.1 能观性指数
• 4.2.2 奇异值分解的相关理论
• 4.2.3 基于奇异值分解理论的系统能观性分析
• 4.2.4 奇异值分解意义下能观度的定义
• 4.3 状态变量的能观度分析
• 4.3.1 二轴摇摆运动时状态变量的能观度分析
• 4.3.2 三轴摇摆运动时状态变量的能观度分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 MEMS姿态测量单元自对准方案
• 5.1 MEMS姿态测量单元自对准方案一
• 5.1.1 MEMS姿态测量单元初始粗对准
• 5.1.2 MEMS姿态测量单元初始精对准
• 5.2 MEMS姿态测量单元自对准方案二
• 5.2.1 方位大失准角下非线性自对准模型
• 5.2.2 扩展卡尔曼非线性滤波方法
• 5.2.3 扩展卡尔曼非线性滤波结果分析
• 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