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高动态环境下捷联惯导虚拟技术研究

作　者: 沙磊
导　师: 曾庆化
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 制导与控制
关键词: 捷联惯性导航系统航迹飞行动力学误差辨识虚拟试验
分类号: V249.322
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

捷联惯性导航系统与平台式惯性导航系统相比,具有体积小、重量轻、成本低等诸多优点,是惯性导航系统的发展趋势。捷联惯性导航系统的性能测试和验证是一项复杂的工程。导航系统实物试验时间长、成本高,而虚拟试验技术则能够从一定程度上弥补该不足。针对这一情况,论文对捷联惯性导航虚拟试验技术展开研究。论文研究了捷联惯性导航的原理及其算法。针对捷联惯性导航系统性能测试需要高精度航迹与惯性器件测量数据,而实际试验数据获取周期长、成本高的问题,研究了捷联惯性相关算法仿真,通过飞行仿真算法和惯性器件仿真算法为捷联惯性导航系统的性能测试提供支持。针对仿真算法中飞行仿真算法忽略飞行动力学,无法满足捷联惯性导航虚拟试验要求的情况,论文研究了基于动力学模型的飞行仿真算法,提出了基于三自由度飞行器模型的航迹模拟算法。通过数字仿真测试,验证了算法的有效性和正确性。针对捷联惯性导航虚拟试验建模问题,提出了一种基于捷联惯性导航逆向求解的误差辨识算法。该算法采用捷联惯性导航的逆向运算获得惯性器件理想输出,然后根据惯性器件的误差特性建立误差模型,最后通过参数估计手段获得误差模型中的各项参数,为虚拟试验系统参数的设置提供支持。仿真结果表明该算法是正确的、有效的,具有一定的理论意义和工程价值。在捷联惯性导航虚拟试验建模研究基础上,进行了虚拟试验系统软件设计。虚拟试验系统分为两个部分,一是针对试验数据的惯性器件误差辨识,为实际系统虚拟试验提供支持;二是实际系统的虚拟试验,在获得惯性器件误差模型基础上,利用航迹模拟算法和惯性器件仿真算法进行实际系统的虚拟试验。软件测试结果表明,虚拟试验与实物试验的重合度高,能够在一定程度上代替实物试验。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
图表清单  9-11
注释表  11-12
第一章绪论  12-17
  1.1 课题研究背景  12
  1.2 捷联惯性导航系统概述  12-14
  1.3 虚拟试验技术概述  14-15
  1.4 论文研究的目的和意义  15-16
  1.5 论文主要研究内容  16-17
第二章捷联惯性导航算法研究  17-32
  2.1 引言  17
  2.2 捷联惯性导航系统基本原理分析  17-21
    2.2.1 常用坐标系  17
    2.2.2 惯性导航基本方程  17-18
    2.2.3 姿态算法研究  18-20
    2.2.4 速度和位置算法研究  20-21
  2.3 捷联惯性导航系统仿真算法研究  21-25
    2.3.1 飞行仿真算法研究  21-22
    2.3.2 惯性器件仿真算法研究  22-24
    2.3.3 仿真算法的实现  24-25
  2.4 仿真与验证  25-31
    2.4.1 飞行仿真与验证  25-27
    2.4.2 惯性器件仿真与验证  27-28
    2.4.3 捷联惯性导航仿真与验证  28-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章基于动力学模型的飞行仿真算法研究  32-46
  3.1 引言  32
  3.2 飞行仿真数学模型  32-34
    3.2.1 三自由度飞行器模型  33-34
    3.2.2 地球重力场模型  34
  3.3 机动飞行控制方案研究  34-37
    3.3.1 速度控制方案研究  35-36
    3.3.2 俯仰角控制方案研究  36
    3.3.3 航向角控制方案研究  36-37
  3.4 航路飞行控制方案研究  37-38
    3.4.1 俯仰角控制方案研究  38
    3.4.2 航向角控制方案研究  38
  3.5 飞行仿真系统的实现  38-41
    3.5.1 切向通道控制方案的实现  38-39
    3.5.2 法向通道控制方案的实现  39-40
    3.5.3 横侧向通道控制方案的实现  40
    3.5.4 自动飞行仿真的实现  40-41
  3.6 仿真与验证  41-45
    3.6.1 机动飞行仿真  41-44
    3.6.2 航路飞行仿真  44-45
  3.7 本章小结  45-46
第四章捷联惯性导航系统虚拟试验建模研究  46-63
  4.1 引言  46
  4.2 惯性器件误差辨识方案研究  46-49
    4.2.1 环境函数法  46-47
    4.2.2 惯性器件误差辨识新方案  47-49
  4.3 遥外测数据预处理方法  49
  4.4 捷联惯性导航逆向解算方法  49-51
    4.4.1 陀螺理想数据计算  49-51
    4.4.2 加速度计理想数据计算  51
  4.5 误差辨识方法  51-56
    4.5.1 惯性器件误差模型辨识  51-54
    4.5.2 惯性器件误差参数估计  54-56
  4.6 最小二乘法存在的主要问题和改进途径  56-59
    4.6.1 无偏性和一致性分析  57-58
    4.6.2 广义最小二乘法  58-59
  4.7 仿真与验证  59-62
    4.7.1 仿真条件设置  59-60
    4.7.2 仿真结果比较  60-62
  4.8 本章小结  62-63
第五章捷联惯性导航虚拟试验系统软件设计  63-75
  5.1 引言  63
  5.2 虚拟试验系统的总体结构  63
  5.3 虚拟试验系统软件设计  63-65
    5.3.1 捷联惯性导航逆向算法实现  64
    5.3.2 惯性器件误差辨识与补偿算法实现研究  64-65
    5.3.3 捷联惯性导航算法实现  65
  5.4 虚拟试验软件测试及算法验证  65-74
    5.4.1 虚拟试验建模测试结果与分析  66-70
    5.4.2 虚拟试验结果与分析  70-74
  5.5 本章小结  74-75
第六章总结与展望  75-77
  6.1 本文所做的主要工作  75
  6.2 后续研究工作展望  75-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果及学术论文  81

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