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SINS/GPS组合系统空中对准方法研究

作　者: 周涛
导　师: 高社生
学　校: 西北工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 捷联惯导系统全球定位系统组合导航系统空中对准航位推算法卡尔曼滤波
分类号: TJ410
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 426次
引　用: 4次
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内容摘要

本文对制导炮弹SINS／GPS组合系统的空中对准问题进行了研究、设计和仿真。本文首先研究了SINS系统的力学编排方程和误差方程，分析了陀螺和加速度计的误差源模型，从而建立起SINS系统的误差模型；其次介绍了GPS系统的工作原理，研究了GPS系统的捕获模型；最后采用了一种线性化算法进行位置和速度信息的求解，并建立了GPS系统的误差模型。本文重点对SINS／GPS组合系统空中对准算法进行了设计。组合系统由SINS、GPS两个系统构成，各子系统的导航信息输出至导航计算机，应用卡尔曼滤波方法估计三个方向的失准角，并对SINS系统的姿态矩阵进行校正。组合系统采用两种组合方式：一是采用位置、速度组合的松散组合方式，另一种是采用伪距、伪距率组合的深组合方式。其创新性研究是： (1)在算法设计时，文中提出了采用航位推算法提高GPS系统的信号输出频率、进而减小滤波周期，以及在滤波初始阶段修正四元数等方法，有效地提高了对准的速度和精度。 (2)在校正方法上，考虑到卫星信号捕获前SINS系统要单独工作，对准时初始误差较大，采用了反馈校正的方法，以提高SINS误差方程的线性化近似程度，从而提高了系统精度。 (3)在深组合工作方式下，卡尔曼滤波采用了平方根滤波的Potter算法，以避免因舍入误差积累造成滤波器的计算发散，提高了组合系统的稳健性。最后，对文中所设计的算法进行了仿真研究，内容包括炮弹飞行轨迹仿真、纯SINS系统仿真、GPS系统仿真，以及两种工作方式下的卡尔曼滤波算法仿真。研究结果表明：在初始误差较大、弹体高速旋转的条件下，经过60秒的空中对准，三个姿态角误差可降至10个角秒以下，同时位置和速度误差得到了修正，从而验证了算法的有效性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章概述  9-16
  1.1 问题的提出  9-10
  1.2 本文的主要工作  10
  1.3 INS／GPS组合系统简介  10-12
  1.4 导航常用坐标系的建立  12-13
  1.5 参数说明  13-15
  1.6 本章小结  15-16
第二章 SINS／GPS组合导航空中对准方案  16-20
  2.1 方案1:SINS／GPS处于松散组合工作方式下  16-17
  2.2 方案2:SINS／GPS处于深组合工作方式下  17-19
  2.3 本章小结  19-20
第三章 SINS系统程序编排及误差模型  20-36
  3.1 姿态矩阵的计算  20-27
    3.1.1 四元数法基本知识  21-23
    3.1.2 捷联惯导系统的姿态更新和数学平台  23-25
    3.1.3 微分方程的数值积分法  25-27
  3.2 SINS力学编排方程  27-29
    3.2.1 速度计算  27-29
    3.2.2 经纬度和高度计算  29
  3.3 捷联惯导系统误差方程  29-34
    3.3.1 陀螺误差模型  30-31
    3.3.2 加速度计误差模型  31
    3.3.3 姿态误差方程  31-33
    3.3.4 速度误差方程  33-34
    3.3.5 位置误差方程  34
  3.4 本章小结  34-36
第四章 GPS系统原理及信号捕获模型  36-47
  4.1 GPS导航系统基本工作原理  36-39
    4.1.1 GPS导航定位基本原理  36-37
    4.1.2 GPS测速原理  37-39
  4.2 GPS卫星信号捕获模型  39-43
  4.3 GPS误差模型  43-46
    4.3.1 伪距、伪距率误差模型  43-44
    4.3.2 位置、速度误差模型  44-46
  4.4 本章小结  46-47
第五章组合系统卡尔曼滤波器设计  47-68
  5.1 卡尔曼滤波算法简介  47-51
    5.1.1 卡尔曼滤波的特点  47-48
    5.1.2 离散型卡尔曼滤波基本方程  48-49
    5.1.3 状态和量测的选取  49-51
  5.2 SINS／GPS松散组合卡尔曼滤波算法设计  51-60
    5.2.1 状态方程  51-55
    5.2.2 量测方程  55-56
    5.2.3 状态方程的离散化  56-57
    5.2.4 卡尔曼滤波程序  57-59
    5.2.5 误差校正  59-60
    5.2.6 降阶卡尔曼滤波器设计  60
  5.3 SINS／GPS深组合卡尔曼滤波算法设计  60-67
    5.3.1 状态方程和量测方程  61-64
    5.3.2 平方根滤波算法  64-67
  5.4 本章小结  67-68
第六章 SINS／GPS组合系统空中对准算法仿真研究  68-82
  6.1 仿真内容及步骤  68-69
  6.2 SINS／GPS组合系统空中对准仿真结果  69-81
  6.3 本章小结  81-82
结束语  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-88

SINS/GPS组合系统空中对准方法研究

内容摘要

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