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MINS/GPS组合导航系统算法研究

专 业: 精密仪器及机械
关键词: MINS GPS 组合导航系统 四元数 姿态矩阵 圆锥补偿
分类号: V441.6
形 态: 共 107 页 约 70,085 个字 约 3.352 M内容
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内容摘要


微惯性测量组合MIMU由于其具有成本低、尺寸小、重量轻、功耗少、可靠性高、抗振动冲击能力强,适于大批量生产等特点,使其在以往靠传统的惯性器件无法胜任的场合得到了应用。

用MIMU与GPS构成MINS/GPS组合导航系统已成为国内外导航界关注的热点之一。

本文以MINS/GPS组合导航系统中的算法作为主要研究内容,所做的工作可归纳为如下几个方面:1首先简要总结了MINS的基本原理,比较了几种解算姿态矩阵的常用算法,采用了两步四元数法计算姿态矩阵;在前人工作的基础上,详细推导了采用Pade逼近的两步四元数法,减小了计算误差。

对姿态计算中的圆锥补偿和速度计算中的划船补偿也进行了深入研究,提出了两种新的圆锥补偿形式和三种新的划船补偿形式,推导出新算法的补偿系数;并对圆锥/划船补偿的误差进行了分析,得到了一些有意义的结论和规律。

2MIMU与GPS组合组成MINS/GPS组合导航系统是MIMU应用的主要形式。

本文总结了MINS的系统误差模型和传感器的误差模型,并对本系统进行了常规卡尔曼滤波器的建模。

结合本系统中偏差量较多的情况,采用了状态与偏差解耦滤波算法,证明了本系统中状态与偏差解耦滤波算法与常规卡尔曼滤波算法的等效性。

在此基础上,针对卡尔曼滤波中的计算发散,提出并推导了一种平方根滤波算法和状态与偏差解耦算法相结合的新算法。

该算法既增强了滤波的数值稳定性,又大大减小了计算量。

3H<,∞>滤波能有效的解决系统存在的各种不确定性问题,避免滤波发散,但在其递推过程中,每个循环都必须先检查H<,∞>滤波器存在的先决条件,使得算法结构过于复杂。

鉴于此,本文深入研究了H<,∞>滤波的平方根算法,首次将其应用于MINS/GPS组合导航系统中,它将H<,∞>滤波器存在的先决条件嵌入到了算法当中,不必再单独检查滤波器存在的先决条件,简化了算法结构,为H<,∞>滤波在导航系统中的应用提供了一条新思路。

4对大失准角下的MINS/GPS组合对准进行了研究。

当姿态误差角不能被看成是小角度时,传统的小干扰方程已不能准确地描述惯导系统的误差传播特性。

本文介绍了基于加性四元数误差的非线性误差模型以及两种常用的非线性滤波方法扩展卡尔曼滤波和迭代滤波;为解决迭代滤波所带来的计算量增大的问题,引入了扩展卡尔曼滤波的状态与偏差解耦算法,并结合非线性对准方程推导了在偏差和量测都是线性的这一特殊情况下扩展卡尔曼滤波的状态与偏差解耦算法;在此基础上,融入迭代滤波的思想,提出了一种既具有迭代滤波精度但又比迭代滤波计算量小的非线性滤波算法,数字仿真和时间测试都证明了它的有效性。

5介绍了一种基于DSP的多处理器结构的嵌入式MINS/GPS组合导航计算机系统,设计了一套基于DSP的MINS/GPS组合导航软件,并建立了MINS/GPS组合导航的试验系统,给出了静态试验的测试结果。

试验结果表明该组合导航系统从导航计算机设计到MINS/GPS组合导航软件设计都是成功的……

全文目录


文摘
英文文摘
第一章 绪论
1.1MIMU的国内外发展概况
1.1.1微型惯性器件发展概况
1.1.2 MIMU发展概况
1.1.3 MIMU在军事上的应用
1.2 MIMU的关键技术
1.3 MINS/GPS组合导航系统研究现状
1.4研究目的意义
1.5本文研究内容
第二章 微小型惯性导航系统基本原理
2.1引言
2.2 MINS的原理与特点
2.3姿态矩阵的计算
2.3.1四元数法
2.3.2等效旋转矢量法
2.3.3两步四元数法
2.4导航参数更新
2.5圆锥补偿算法和划船补偿算法
2.5.1圆锥补偿算法设计
2.5.2划船补偿算法设计
2.5.3圆锥/划船补偿系数与误差分析
2.6本章小结
第三章 基于Kalman滤波的MINS/GPS组合导航算法研究
3.1引言
3.2卡尔曼滤波算法
3.2.1 MINS系统误差模型
3.2.2惯性仪表的误差模型
3.2.3卡尔曼滤波原理
3.2.4系统状态方程
3.2.5系统量测方程
3.2.6 MINS/GPS组合校正
3.3卡尔曼滤波的平方根算法
3.3.1平方根滤波的量测更新
3.3.2平方根滤波的时间更新
3.4状态与偏差解耦算法
3.4.1状态与偏差解耦算法概述
3.4.2状态与偏差解耦算法在MINS/GPS组合导航系统中的应用
3.5平方根算法和状态与偏差解耦算法的结合
3.5.1新算法的推导
3.5.2新算法的仿真结果
3.6本系统算法的选取
3.7本章小结
第四章 基于H∞滤波平方根算法的MINS/GPS组合导航算法研究
4.1引言
4.2H∞滤波的原理
4.3H∞滤波的平方根算法
4.4系统状态方程及量测方程
4.5仿真结果
4.6本章小结
第五章 大失准角下的MINS/GPS组合对准研究
5.1引言
5.2大失准角下基于加性四元数误差的误差方程
5.2.1姿态误差方程
5.2.2速度误差方程
5.2.3位置误差方程
5.3非线性滤波方法
5.3.1扩展卡尔曼滤波
5.3.2迭代滤波
5.3.3新的非线性滤波算法
5.4对准数字仿真
5.4.1仿真模型
5.4.2仿真结果
5.5本章小结
第六章 基于DSP的MINS/GPS组合导航系统设计
6.1引言
6.2系统硬件设计
6.2.1 MIMU数据采集子系统
6.2.2 GPS导航信息采集子系统
6.2.3导航处理器
6.3系统软件设计
6.3.1软件工程思想在导航系统中的应用
6.3.2 TMS320C54X软件开发过程
6.3.3 MIMS/GPS组合导航系统的软件组成
6.4本章小结
第七章 基于DSP的MINS/GPS组合导航系统的静态试验
7.1引言
7.2试验系统组成
7.3试验及结果
7.3.1 MINS自主导航静置试验
7.3.2 MINS/GPS组合导航静置试验
7.3.3中断GPS信号试验
7.3.4试验结果分析
7.4本章小结
总结与展望
参考文献

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中图分类: > V441.6 > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 仪表

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