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MINS/卫星组合导航技术研究

作　者: 王阳
导　师: 高延滨
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: MEMS 捷联惯导组合导航 kalman滤波
分类号: TN967.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

组合导航是指将多种导航技术综合到一起，称组合后的系统为组合导航系统。组合导航的出现是与现代导航理论和技术的发展密切相关的。所有单一的导航系统都有其独一无二的性能，同时也受到很多的限制。将不同的单一系统进行组合，每种系统提供不同的信息源，组合后各信息源优劣互补，共同组建成有较大冗余度且高精确度的功能强大的导航系统。组合导航本质上将计算机作为整个系统的核心，指挥每个导航传感器传送检测数据，这些数据在CPU中运算后输出所要获取的导航信息。本文提出并研究了易于工程实现的低成本、中低精度MINS/GPS组合导航系统方案，并结合实验室现有条件进行了工程实现。首先，简要阐述了捷联惯性导航系统的工作原理及导航算法，通过分析惯性器件性能列出了惯性器件的误差模型，根据误差模型设计标定方法，通过位置实验和速率实验标定出了惯性器件的零位误差，刻度因数及耦合误差系数，并将所求系数代入误差模型求解角速度和加速度误差的均值和标准差，衡量惯性器件的性能，预测导航系统的精度等。其次，设计了以微惯性测量单元（MIMU）和GPS为导航传感器的组合导航系统，包括硬件的选择，电路的设计，数据的处理等。为保证组合导航系统的实时性和可靠性，将FPGA作为系统的导航计算机，完成各模块控制，数据的发送，数据的实时解算，信息融合算法等。再次，给出系统的初始对准方法，由于MEMS陀螺敏感不到地球自转角速度，本文通过加速度计和磁力计对系统的姿态角进行初始对准，并将对准结果代入到导航算法中。同时分析了SINS和GPS应用上的优缺点，取长补短，对二者进行组合，选择合理的组合导航方法，给出了位置/速度作为观测量的Kalman滤波器，完成SINS/GPS组合导航的数据融合。使用MATLAB软件对捷联解算和kalman滤波等导航算法进行仿真验证，验证导航算法的正确与否。最后，完成MINS/GPS组合导航系统的静态实验和动态跑车实验，并对实验数据进行离线处理。从实验结果可以看出，由于GPS的修正作用，组合导航系统的精度远高于单纯惯导系统的精度，达到了预期效果，为今后进一步的理论与实践研究奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 论文研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 MEMS 惯性器件的发展状况  11
    1.2.2 MEMS-INS 系统的研究现状  11-12
    1.2.3 MEMS-INS 算法研究、实现和应用现状  12-13
    1.2.4 MEMS INS/GPS 组合导航系统  13
  1.3 本文主要内容  13-15
第2章导航系统原理  15-31
  2.1 惯性导航系统  15-16
    2.1.1 惯性导航系统概述  15-16
    2.1.2 惯性导航系统常用坐标系  16
  2.2 捷联式惯导系统导航基本原理  16-25
    2.2.1 导航位置方程  17-19
    2.2.2 姿态方程  19-24
    2.2.3 捷联惯导系统的力学编排  24-25
  2.3 全球卫星导航定位系统  25-29
    2.3.1 GPS 测距与定位原理  26-27
    2.3.2 GPS 误差来源  27-29
  2.4 加速度计/磁强计初始姿态确定  29-30
    2.4.1 加速度计确定俯仰角和倾斜角  29
    2.4.2 磁强计确定航向角  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章组合导航系统设计与分析  31-48
  3.1 导航系统构成  32-39
    3.1.1 MIMU  32-35
    3.1.2 GPS 接收机  35-36
    3.1.3 导航计算机  36-39
  3.2 IMU 标定  39-44
    3.2.1 陀螺仪标定方法设计  40-43
    3.2.2 加速度计标定方法设计  43-44
  3.3 系统整体标定试验  44-47
    3.3.1 速率实验  45
    3.3.2 位置实验  45
    3.3.3 误差系数标定结果  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章速度/位置组合的 MEMS-IMU/GPS 滤波器设计  48-63
  4.1 卡尔曼滤波原理  48-51
    4.1.1 kalman 滤波概述  48-49
    4.1.2 kalman 滤波方程  49-50
    4.1.3 kalman 滤波流程  50-51
  4.2 捷联惯导误差分析  51-54
    4.2.1 惯性导航系统误差源  51-52
    4.2.2 惯性导航系统误差方程  52-54
  4.3 组合导航滤波器设计  54-58
    4.3.1 系统组合方式  54-55
    4.3.2 系统状态方程  55-57
    4.3.3 系统量测方程  57-58
  4.4 kalman 滤波组合算法仿真分析  58-62
    4.4.1 仿真条件及算法原理框图  58-59
    4.4.2 仿真结果  59-62
  4.5 本章小结  62-63
第5章系统实验与结果分析  63-74
  5.1 静态实验  63-70
    5.1.1 MINS 自主导航静置实验  64-66
    5.1.2 MINS/GPS 组合导航静置实验  66-70
  5.2 动态实验  70-72
  5.5 本章小结  72-74
结论  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  78-79
致谢  79

MINS/卫星组合导航技术研究

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