捷联惯性导航系统惯性器件误差建模与仿真技术

论文摘要

惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是一种自主导航系统,抗干扰能力极强,其缺点是导航误差随时间迅速积累。而全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位误差几乎不随时间变化,其缺点是抗干扰能力较差。GNSS/INS组合导航系统能有效利用二者的优点,避免缺点,极大地提高导航系统的整体性能。组合导航接收机工作环境具有动态高、电磁环境复杂等特点,外场测试很难提供所需的动态和干扰样式;而采用GNSS/INS组合导航信号源进行仿真测试具有成本低、可靠性高、可控性好等优点。本文针对组合导航信号源中惯性测量装置(Inertial Measurement Unit,IMU)信号生成以及捷联惯导系统的仿真需求,研究了捷联惯性导航系统的惯性器件误差模型、惯性器件误差在导航系统内的传播和惯性器件仿真算法,并开发了一个系统的捷联惯导系统仿真软件。论文主要工作如下:(1)研究了捷联惯性导航系统常用的参考坐标系和姿态算法并给出了它们相互转换关系,对几种姿态算法进行了分析比较。(2)建立了惯性器件的误差模型,提出了惯性器件随机误差的Allan分析方法。根据导航方程推导了惯性器件误差在导航系统中的传播方程,给出了9个状态的状态空间方程。针对短时导航的情况,对状态空间进行了简化,给出了单通道误差模型。并针对单通道误差模型计算的偏航角和俯仰角误差与完整模型计算结果差值较大的问题对单通道误差模型算法进行了改进。(3)开发了捷联惯性导航系统的仿真软件,完成了基于动力学的飞行轨迹仿真,给出了已知目标轨迹下的惯性器件数据反向解算算法。完成了GNSS/INS组合导航信号源中惯性器件信号的仿真,并对生成的IMU数据并进行了验证。验证结果表明,生成的IMU数据是准确可靠的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究发展现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 捷联惯性导航系统基本原理和方法
• 2.1 参考坐标系
• 2.1.1 地球参考椭球体
• 2.1.2 地球参考坐标系
• 2.2 捷联惯性导航系统的导航方程
• 2.3 载体姿态计算方法
• 2.3.1 几种计算载体姿态的方法
• 2.3.2 姿态计算方法的比较
• 2.4 本章小结
• 第三章 惯性器件误差建模与误差传播研究
• 3.1 惯性器件误差建模及误差传播方程
• 3.1.1 惯性器件误差建模
• 3.1.2 捷联惯导的误差传播方程
• 3.1.3 误差方程的状态空间
• 3.2 基于ALLAN方差的惯性器件随机误差辨识方法
• 3.2.1 随机误差的Allan方差
• 3.2.2 实例分析
• 3.3 一种单通道误差模型的改进方法
• 3.3.1 单通道误差模型的建立
• 3.3.2 单通道误差模型与完整误差传播模型对比分析
• 3.3.3 基于分段更新的单通道误差模型改进方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 捷联惯性导航系统的仿真与实现
• 4.1 捷联惯性导航仿真系统总体架构
• 4.2 飞行轨迹仿真与预处理
• 4.2.1 基于动力学的飞行轨迹仿真
• 4.2.2 基于B样条拟合和微分的轨迹预处理方法
• 4.3 惯性器件数据仿真
• 4.3.1 理想陀螺仪数据计算
• 4.3.2 理想加速度计数据计算
• 4.3.3 惯性器件随机误差的生成
• 4.3.4 IMU数据合成
• 4.4 IMU数据验证及精度分析
• 4.4.1 IMU数据验证方法
• 4.4.2 捷联惯导算法
• 4.4.3 IMU数据验证实现及结果
• 4.5 捷联惯导仿真系统软件实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果