船用捷联式惯性天文导航误差分析与算法仿真

论文摘要

在信息化战争中,精确制导武器的缺陷逐步被暴露出来,当武器系统处于大气层外部时,由于空气稀薄,折射率低,适合于星敏感器进行高精度的测量,使得天文导航定位技术取代全球卫星定位系统成为了可能,因此各国开始加大对天文导航技术研究的投入,各种天文导航技术先后被应用在航空和航天领域,并取得了成功；天文导航技术虽然起源于航海,但近地天文导航技术发展相对滞后,本课题针对这一现象,着重对近地天文导航技术进行了深入细致的研究。本文首先设计了一种以平台惯导系统为基础的天文导航方法,利用安装在平台惯导上的星敏感器实时的观测太空中固定的某些星体来完成导航定位的任务,由于惯导平台存在各种误差源,因此该方法的导航精度直接受平台惯导系统精度的影响；在此基础上,为了取代全球卫星定位系统对各类近地武器系统初始信息的制约,提出了一种海上对准方案,在该方案中主要介绍了粗对准和当地地理位置信息的计算方法；其次,为了提高船舶在复杂环境中的生存能力,设计了一种星敏感器／捷联惯导组合导航算法,该导航算法是一种备用的导航方法,在不影响任何导航设备工作的情况下,将各个传感器输出数据进行融合处理,不但自身可以提供导航定位数据,而且也可以对惯导系统进行校正,以便提高惯导系统的导航精度,该组合算法导航精度受星敏感器、捷联惯导系统中两个水平失准角的影响,方位失准角在该导航算法中不起到任何作用,星敏感器的误差只会使导航精度降低,并不会影响其导航数据的振荡形式；惯导系统中的器件误差,尤其是陀螺漂移对惯导系统导航精度影响最为重要,为了使导航系统能够长时间、高精度的工作,设计了一种基于星敏感器的传递对准技术来对漂移进行估计补偿,该方法是利用“速度+姿态”匹配的组合方案,姿态信息由星敏感器和捷联惯导系统共同提供,速度信息完全由捷联惯导系统来提供,该方案的建模仿真结果表明,陀螺漂移和加速度计零偏可以在相对较短的时间内完全被估计出来,并且随着时间的增加精度有显著的提高；惯导系统作为一种自主性的导航系统已经被应用的越来越广泛,惯导系统中的速度误差、纬度误差及失准角误差都是处在闭环的回路中,而经度误差是处于开环的状态,这就导致了惯导系统的导航精度受时间的影响极大,为了克服惯导系统中经度误差发散的这一现象,同时也是为了克服陀螺仪产生的固有误差,设计了一种无陀螺惯导系统的导航方法,该方法中不存在惯性器件陀螺仪,可以使导航系统中的经度误差、纬度误差及速度误差构成闭合回路,无陀螺惯导系统导航系统是利用星敏感器和三个加速度计相互正交组合构成的系统,利用该算法建模仿真结果表明,导航精度受星敏感器误差和初始位置信息误差影响及加速度计零偏的影响,但导航精度不会随着时间的发散而发散,只会呈现周期性的振荡,振荡周期主要为舒勒周期,该导航方法完全可以使一些设备完成高精度、长时间导航任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 天文导航技术发展概述
• 1.2 发展天文导航技术的目的和意义
• 1.3 国内外天文导航技术的研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 基于星敏感器的天文导航技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 基于星图识别的多星矢量定位技术的工作原理
• 2.2.1 星敏感器的工作原理
• 2.2.2 基于星图识别的多星矢量定位算法
• 2.3 基于星敏感器的天文导航技术原理
• 2.3.1 基于星敏感器的天文导航算法
• 2.3.2 基于星敏感器的海上对准方案设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 星敏感器/惯导组合导航算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 星敏感器/惯导系统组合导航算法
• 3.2.1 星敏感器/惯导系统组合导航算法的工作原理
• 3.2.2 星敏感器/惯导系统组合导航算法误差分析
• 3.2.3 星敏感器/惯导系统组合导航算法仿真与分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于星敏感器的传递对准技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 捷联惯导的初始对准原理
• 4.2.1 凝固惯性系对准中的粗对准阶段
• 4.2.2 惯性系对准中的精对准阶段
• 4.3 利用CCD星敏感器进行传递初始对准原理分析
• 4.3.1 初始传递对准精度的分析
• 4.4 基于姿态传递的器件误差估计分析
• 4.4.1 构造卡尔曼滤波器的系统方程与观测方程
• 4.4.2 仿真与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于星敏感器的惯导系统导航算法研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于星敏感器的惯导系统的工作原理
• 5.3 基于星敏感器的惯导系统的误差方程
• 5.4 基于星敏感器的惯导系统的对准精度和定位精度分析
• 5.5 仿真及分析
• 5.6 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