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高精度捷联式惯性导航系统校准与补偿方法研究

作　者: 李明月
导　师: 程建华
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 惯性导航系统校准小波实时滤波模极大值故障检测联邦滤波器
分类号: TN966
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

高精度惯性导航系统在惯性元件等误差源的激励下，会产生振荡误差、常值稳态误差和随时间积累的误差。采用综合校准技术能利用外部信息源，计算出影响惯导系统精度的误差信息，并对误差进行补偿，从根本上提高惯导系统的性能。但由于传统点位置校在实际应用中，会受到陀螺随机漂移，载体机动运动和外部信息精度的影响。因此，开展校准技术的误差分析，并对影响综合校准精度的各种误差进行定量分析，提出进行校准需开展的关键技术。为解决陀螺随机漂移对校准结果的影响，开展基于小波技术的陀螺实时滤波算法的设计，提出在进行SureShrink阈值选取时结合海浪周期的思想，优化了SureShrink阈值选取方案。通过对实时性的验证及实测信号的实时滤波实验结果分析可知，该算法能够在满足陀螺信号实时性的条件下，完成陀螺随机漂移噪声的有效滤波。通过对校准的误差分析可知，外参考导航传感器精度和可靠性是惯导系统进行校准的前提和保障。针对目前多数故障检测方法对缓变的软故障检测不灵敏，延迟性较大，无法判断各种故障类别等问题，在分析利用小波奇异性进行故障检测原理的基础上，提出了一种基于模极大值原理的导航传感器故障检测方法。该算法利用传感器的观测量来诊断传感器工作是否正常，文中给出了利用小波奇异性进行故障检测的原理描述及利用该算法进行故障检测隔离的算法流程。该算法不仅对导航传感器软故障具有较高的灵敏度，而且能通过故障点的Lipschitz指数来判断故障类别，为传感器故障隔离和修复提供有效的信息，能够更好的保证惯导系统进行校准时外部导航传感器信息的可靠性。计算机仿真表明所提方法是有效的，具有较高的实用性。本文以水下航行器为研究对象，开展基于多传感器的组合校准算法研究，构建基于联邦滤波的SINS/DVL/GPS组合校准方式，通过对子导航传感器的原理分析和误差方程的推导，完成对局部滤波器的设计。通过仿真分析可知，所设计的基于联邦滤波的组合校准方案具有较好的误差估计能力，进行校准后惯导系统定位能力得到较大的提高。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题的研究背景、目的和意义  11-12
  1.2 国内外研究发展历程和现状  12-15
    1.2.1 惯导技术的发展历程和现状  12-13
    1.2.2 捷联惯导系统校准技术发展现状  13-15
  1.3 论文的主要工作及组织结构  15-16
第2章惯性导航系统校准方法分析  16-33
  2.1 引言  16
  2.2 点位置校的基本原理及误差特性分析  16-28
    2.2.1 点位置校的基本原理  16-19
    2.2.2 点位置校准误差特性分析  19-23
    2.2.3 点位置校误差特性仿真分析  23-28
  2.3 连续位置校原理及特性分析  28-31
    2.3.1 连续位置校实现方式  28-29
    2.3.2 连续位置校误差特性  29-30
    2.3.3 连续位置校误差特性仿真分析  30-31
  2.4 综合校准关键技术分析  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章基于小波分析的陀螺滤波方法研究  33-49
  3.1 引言  33
  3.2 陀螺输出信号特征分析  33-35
    3.2.1 输出信号模型  33-34
    3.2.2 频谱分析  34-35
  3.3 小波滤波的基本原理  35-41
    3.3.1 小波变换  35-37
    3.3.2 多分辨分析和 Mallat 算法  37-39
    3.3.3 小波阈值滤波原理  39-41
  3.4 基于小波分析的实时滤波方法设计和改进  41-46
    3.4.1 小波基的选取  41
    3.4.2 分解尺度选取  41-42
    3.4.3 阈值选取方法优化  42-44
    3.4.4 阈值函数的选取  44-45
    3.4.5 实时滤波算法设计  45-46
  3.5 仿真验证  46-48
    3.5.1 选取小波基  46
    3.5.2 小波滤波器实时性的验证  46-47
    3.5.3 小波滤波器效果验证  47-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章基于导航传感器的故障检测算法研究  49-63
  4.1 引言  49
  4.2 问题的提出  49-50
  4.3 信号奇异性检测的基本原理  50-53
    4.3.1 小波变换的模极大值  51
    4.3.2 模极大值与信号奇异性的关系  51-52
    4.3.3 Lipschitz 指数定义和特性  52-53
  4.4 故障检测算法实现  53-57
    4.4.1 二进小波变换  54-55
    4.4.2 搜索模极大值  55
    4.4.3 Lipschitz 指数求取  55-57
    4.4.4 故障类别的辨识  57
    4.4.5 故障点的定位  57
  4.5 仿真分析  57-62
  4.6 本章小结  62-63
第5章基于多传感器组合校准方法研究  63-83
  5.1 引言  63
  5.2 捷联惯导组合校准数学工具分析及设计  63-69
    5.2.1 集中卡尔曼滤波  63-65
    5.2.2 联邦卡尔曼滤波  65-68
    5.2.3 校准方案设计  68-69
  5.3 导航子系统原理及误差方程推导  69-76
    5.3.1 捷联惯导系统  70-72
    5.3.2 GPS 导航系统  72-73
    5.3.3 多普勒计程仪  73-76
  5.4 局部滤波器的设计  76-79
    5.4.1 SINS /GPS 子滤波器  76-78
    5.4.2 SINS /DVL子滤波器  78-79
  5.5 多传感器组合校准精度和容错性研究  79-82
    5.5.1 GPS 可观测环境下的组合校准仿真  79-81
    5.5.2 GPS 不可观测环境下的组合校准仿真  81-82
  5.6 本章小结  82-83
结论  83-84
参考文献  84-88
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  88-89
致谢  89

高精度捷联式惯性导航系统校准与补偿方法研究

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