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无陀螺SINS与GPS组合导航系统研究

作　者: 杨轩
导　师: 史震
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 无陀螺捷联惯性导航系统 GFSINS/GPS组合导航角速度解算 H_∞滤波渐消记忆H_∞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

现代某些导弹等战术武器具有大过载和高机动的特点，而在传统的捷联惯导系统中包含的惯性器件有陀螺仪和加速度计，其中陀螺仪的抗冲击能力较差，因此应用在大过载和高机动的场合效果较差。但在无陀螺捷联惯导系统（GFSINS）中，惯性器件只有加速度计，所以在理论上GFSINS能更好的适用于大过载和高机动等高动态环境。近些年，随着MEMS技术的蓬勃发展，GFSINS的长寿命、高可靠性、低能耗、低成本和快反应等诸多优势愈发愈明显。所以，最近许多年国内外学者对GFSINS进行了深入的探索和研究，试图推进GFSINS的工程化和实用化。与传统的捷联惯导系统相比，GFSINS的导航精度较低，误差积累也较快。由于GFSINS导航原理和加速度计制造工艺的限制，要继续提高GFSINS的导航精度已经十分困难。因此，在继续加大力度发展单一高精度惯性导航系统（平台式和捷联式）的同时，组合导航系统逐渐成为发展新型导航系统的突破口，其中惯性/卫星组合导航系统是最具有应用前景的组合导航系统。由于本文研究的GFSINS/GPS组合导航系统是一个极其复杂的系统，所以论文的侧重点为：第一，证明了无陀螺导航系统中加速度计配置个数的必要条件，而后设计了一种九加速度计的配置方案，该方案设计简单，便于安装，可以同时提供角加速度和角速度乘积项等冗余信息，便于角速度的解算，在得到角速度后对无陀螺捷联惯性导航过程进行了推导和仿真。仿真结果表明：使用单一的无陀螺导航系统精度较低，误差随时间快速累积，难以满足导航需要。第二，重点研究了扩展H_∞滤波在角速度解算中的应用。仿真结果表明：扩展卡尔曼滤波只有在白噪声干扰下才能有效提高角速度解算精度，而扩展H_∞滤波在有色噪声干扰下对角速度解算精度依然具有较强的鲁棒性。第三，对于GFSINS/GPS组合导航系统，尝试了位置、速度和姿态的新型松散全组合模式，在这种组合模式下，GPS输出的信息能有效的校正GFSINS的位置、速度和姿态输出信息。在建立组合导航系统的数学误差模型后，设计了一种GFSINS/GPS组合导航系统H_∞滤波器，有效的解决了有色噪声干扰问题。并通过软件仿真对比了加速度计不同噪声干扰下卡尔曼滤波方法和H_∞滤波方法的导航精度。针对组合导航系统存在的模型不确定和传统H_∞滤波中滤波参数选取困难的问题分别提出了渐消记忆H_∞滤波方案和基于LMI的H₂/H_∞混合滤波方案，通过仿真试验，验证了算法的有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状和发展前景  11-13
    1.2.1 GFSINS 的研究现状和发展前景  11-12
    1.2.2 GFSINS/GPS 组合导航系统的研究现状和发展前景  12-13
  1.3 论文的主要工作及章节安排  13-15
    1.3.1 论文的主要工作  13
    1.3.2 论文的章节安排  13-15
第2章 GFSINS 和 GPS 导航原理  15-35
  2.1 引言  15
  2.2 惯导系统常用的坐标系、导航参数说明及各坐标系之间的变换  15-17
    2.2.1 常用坐标系的定义  15-16
    2.2.2 常用导航参数说明  16
    2.2.3 坐标系间的变换  16-17
  2.3 无陀螺捷联惯导系统概述  17-30
    2.3.1 载体上任意一点加速度计输出表示  18-19
    2.3.2 GFSINS 中加速度计的配置条件及构型方式  19-21
    2.3.3 无陀螺捷联惯导系统导航信息获取  21-25
    2.3.4 无陀螺捷联惯导系统仿真分析  25-30
  2.4 GPS 系统概述  30-34
    2.4.1 GPS 的定位原理  30-31
    2.4.2 GPS 的测速原理  31-32
    2.4.3 GPS 的测姿原理  32-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章扩展H_∞滤波在角速度解算中的应用  35-46
  3.1 引言  35
  3.2 角速度解算的几种常规算法  35-37
  3.3 扩展 H_∞滤波算法解算角速度  37-41
  3.4 角速度解算的仿真与分析  41-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章 GFSINS/GPS 组合导航系统方案设计  46-63
  4.1 引言  46
  4.2 GFSINS/GPS 组合导航系统误差分析  46-50
    4.2.1 GFSINS 误差分析  46-49
    4.2.2 GPS 误差分析  49-50
  4.3 GFSINS/GPS 组合导航系统的组合模式  50-51
  4.4 GFSINS/GPS 组合导航系统 H_∞滤波器设计  51-54
    4.4.1 滤波状态方程建立  51-53
    4.4.2 滤波观测方程建立  53-54
  4.5 GFSINS/GPS 组合导航系统组合新算法  54-58
    4.5.1 系统模型的不确定性对滤波算法的影响  54-56
    4.5.2 GFSINS/GPS 组合导航系统渐消记忆 H_∞滤波算法  56-58
  4.6 基于 LMI 的H_2/H_∞组合导航系统滤波方法探索  58-62
    4.6.1 H_2/H_∞滤波概述  58-59
    4.6.2 基于 LMI 的H_2/H_∞组合导航混合滤波方法  59-62
  4.7 本章小结  62-63
第5章 GFSINS/GPS 组合导航算法仿真验证  63-71
  5.1 引言  63
  5.2 组合导航算法仿真对比  63-70
  5.3 本章小结  70-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  77-78
致谢  78

无陀螺SINS与GPS组合导航系统研究

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