SINS误差特性及组合对准的方法研究

论文摘要

作为舰船、飞机、航天器等载体上的重要设备,捷联式惯性导航系统(SINS)无论在军用还是民用领域,都发挥着重要作用。然而,捷联惯导系统在具有自主式导航、短期精度高、稳定性好等优点的同时,也具有自身无法避免的缺陷。传统的自主式初始对准方式对准时间长,而且要求在静基座上进行,不符合实际系统的应用需要;此外,纯惯性导航系统由于器件原因误差随时间积累,很难达到相当高的精度。因此,研究捷联惯导系统的误差特性和基于此的组合对准方法具有重要的现实意义。本文首先根据捷联惯导系统的工作原理,推导并建立了系统在静基座和动基座条件下的误差方程,分析了载体在静止和运动状态下的误差特性。在三种主要误差源的激励下,系统产生常值误差和呈三种周期振荡的误差,并且载体的机动将使系统的振荡周期发生改变。在SINS误差分析的基础上,为了分析载体的运动和不同的组合对准方式对系统性能和对准效果的影响,本文建立了多种方式组合对准的数学模型(包括速度组合、位置组合、位置与速度组合、速度与姿态组合),并分别对它们进行了可观测性分析和系统仿真。由于误差特性中状态量之间耦合程度的差异,速度与姿态组合的对准效果最好,精度最高,位置与速度组合、速度组合次之,位置组合最差,并且载体的机动可以明显提高系统的可观测性,甚至可以突破器件误差(主要是陀螺漂移)对失准角的影响,使对准精度达到一个更高的数量级。针对静基座下惯性器件误差不能有效估计和方位对准精度不高的缺点,本文提出了一种新的两位置组合对准方法,通过仿真分析表明,这种方法能准确的估计出陀螺漂移(主要是水平陀螺漂移),显著提高初始对准的精度。最后,本文通过转台实验验证了在静止和摇摆状态下利用卡尔曼滤波法进行组合对准的可行性,证明了卡尔曼滤波相对于传统经典控制理论来说显示出特有的优越性,具有实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 捷联惯性导航系统的发展概况
• 1.2 基于捷联惯导的组合系统发展概况
• 1.3 捷联惯导初始对准技术的研究内容及现状
• 1.3.1 捷联惯导初始对准技术的研究内容
• 1.3.2 捷联惯导初始对准技术的研究现状
• 1.4 课题研究的意义
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 捷联惯导系统的误差特性
• 2.1 捷联惯导系统的误差方程
• 2.1.1 速度误差方程
• 2.1.2 位置误差方程
• 2.1.3 姿态误差方程
• 2.2 静基座下系统的误差模型及特性分析
• 2.2.1 陀螺常值漂移下的系统误差特性
• 2.2.2 加速度计零位误差下的系统误差特性
• 2.2.3 初始误差下的系统误差特性
• 2.3 动基座下系统的误差模型及特性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 组合对准的数学误差模型
• 3.1 引言
• 3.2 惯性器件的误差模型
• 3.2.1 陀螺仪的误差模型
• 3.2.2 加速度计的误差模型
• 3.3 基于速度信息的组合对准数学模型
• 3.3.1 全维滤波模型的设计
• 3.3.2 降维滤波模型的设计
• 3.4 基于位置速度信息的组合对准数学模型
• 3.5 基于速度姿态信息的组合对准数学模型
• 3.6 本章小结
• 第4章 组合对准的可观测性及可观测度分析
• 4.1 引言
• 4.2 奇异值可观测性分析方法及其在组合对准中的应用
• 4.2.1 奇异值可观测性分析方法
• 4.2.2 奇异值法在速度观测组合对准中的应用
• 4.2.3 奇异值法在位置观测组合对准中的应用
• 4.2.4 奇异值法在位置与速度观测组合对准中的应用
• 4.2.5 奇异值法在速度与姿态观测组合对准中的应用
• 4.3 基于解析法的可观测性分析
• 4.4 基于谱条件数的可观测度分析
• 4.4.1 谱条件数可观测度分析法
• 4.4.2 谱条件数法在组合对准中的应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 组合对准的方法研究及仿真实验
• 5.1 基于速度信息的组合对准方法研究及仿真
• 5.1.1 静基座条件下速度组合对准的系统仿真
• 5.1.2 静基座条件下组合对准的新方法
• 5.1.2.1 新的两位置法初始对准原理
• 5.1.2.2 新的两位置法组合对准的仿真研究
• 5.1.3 动基座条件下速度组合对准的系统仿真
• 5.2 基于位置速度信息的组合对准方法研究及仿真
• 5.2.1 静基座条件下位置速度组合对准的系统仿真
• 5.2.2 动基座条件下位置速度组合对准的系统仿真
• 5.3 基于速度姿态信息的组合对准方法研究及仿真
• 5.4 组合对准的实验验证
• 5.5 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