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SINS/DVL组合导航技术研究

作　者: 吕召鹏
导　师: 吴美平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 惯导/多普勒组合导航 刻度因子 安装误差角 全局可观性分析
分类号: U666.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


SINS/DVL组合导航系统利用DVL提供的高精度速度信息抑制捷联惯导系统的误差积累,是目前广泛应用的水下组合导航技术。然而,在工程实践中有两大因素制约着SINS/DVL组合导航定位精度:一是DVL与IMU之间的安装标校误差;另一个是DVL自身测速误差。针对以上两大问题,本文从以下几个方面对SINS/DVL组合导航技术进行了研究:1、推导并建立了基于安装误差角和刻度因子误差在线估计的SINS/DVL组合导航系统误差模型。在建立组合导航系统误差模型的过程中,首先推导了捷联惯导系统误差模型;然后建立了基于安装误差角和刻度因子误差的DVL误差模型;最后在捷联惯导系统误差模型和DVL误差模型的基础上,建立了基于安装误差角和刻度因子误差在线估计的组合导航系统误差模型。2、利用非线性全局可观性理论,分析了组合导航系统的可观性。通过可观性分析,可以得到组合导航系统模型状态量的可估计性,在理论上说明组合导航系统误差模型的合理性。利用全局可观性分析得出了如下主要结论:若载体运动满足姿态不变,比力变化,则刻度因子可观;载体做匀速直线运动,并且只考虑偏航方向安装角以及天向速度为零,则航向安装角可观;载体运动满足姿态不变,比力变化,且不同时刻比力导数线性无关,则安装角可观。文中还利用仿真实验验证了可观性分析的结论。3、通过船载试验对SINS/DVL组合导航系统模型进行了验证。在常规的船体行驶速度条件下,刻度因子误差导致的测速误差通常很小,所以在船载试验中忽略了刻度因子误差的影响。在船载试验结果分析中,首先利用迭代递推的方法得出如下结论:基于安装误差角和刻度因子误差补偿的组合导航系统模型可以有效提高SINS/DVL组合导航的定位精度。然后分析了基于安装误差角在线估计的SINS/DVL组合导航系统的导航结果,结果表明,安装误差角在线估计方法可以有效估计出安装误差角,在线解决IMU与DVL的安装标校问题,提高SINS/DVL组合导航定位精度,在工程实践中具有一定的实用性。

全文目录


摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章 绪论  12-18
  1.1 本课题研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 基于捷联惯导的组合导航系统发展现状  13-15
    1.2.2 水下导航系统发展现状  15-16
  1.3 论文主要工作和内容安排  16-18
    1.3.1 主要工作  16-17
    1.3.2 内容安排  17-18
第二章 SINS 的导航原理及误差模型  18-26
  2.1 常用坐标系及坐标变换  18-19
    2.1.1 常用坐标系定义  18-19
    2.1.2 坐标变换  19
  2.2 捷联惯导系统基本原理及基本方程  19-21
    2.2.1 捷联惯导系统基本原理  19-20
    2.2.2 捷联惯导系统基本方程  20-21
  2.3 捷联惯导系统误差模型  21-25
    2.3.1 陀螺仪、加速度计误差模型  21
    2.3.2 姿态误差方程  21-23
    2.3.3 速度误差方程  23-24
    2.3.4 位置误差方程  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章 DVL 测速原理及误差模型  26-36
  3.1 DVL 测速原理  26-29
    3.1.1 多普勒效应  26-27
    3.1.2 单波束DVL 测速  27-28
    3.1.3 双波束Janus 配置DVL 测速  28
    3.1.4 四波束Janus 配置DVL 测速  28-29
  3.2 DVL 测速系统误差源  29-34
    3.2.1 声速误差  29-30
    3.2.2 安装偏角误差  30
    3.2.3 公式简化误差  30-31
    3.2.4 载体姿态误差  31-33
    3.2.5 波束宽度误差  33-34
  3.3 DVL 测速系统误差模型  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 SINS/DVL 组合导航系统及可观性分析  36-55
  4.1 SINS/DVL 组合导航系统  36-40
    4.1.1 SINS/DVL 组合方案  36-37
    4.1.2 SINS/DVL 组合导航系统状态方程  37-38
    4.1.3 SINS/DVL 组合导航系统量测方程  38-39
    4.1.4 SINS/DVL 组合导航系统Kalman 滤波  39-40
  4.2 SINS/DVL 组合导航系统可观性分析  40-47
    4.2.1 可观性定义及基本概念  40-42
    4.2.2 非线性全局可观性分析  42-47
  4.3 SINS/DVL 组合导航系统仿真分析  47-54
    4.3.1 匀速直线仿真  50-51
    4.3.2 变加速仿真  51-53
    4.3.3 拐弯机动仿真  53-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章 SINS/DVL 组合导航船载试验研究  55-65
  5.1 SINS/DVL 组合导航船载试验研究  55-64
    5.1.1 主要试验设备  55-56
    5.1.2 主要设备的指标  56-57
    5.1.3 试验系统安装  57
    5.1.4 试验结果分析  57-64
  5.2 本章小结  64-65
第六章 总结与展望  65-67
  6.1 论文总结  65-66
  6.2 研究展望  66-67
致谢  67-69
参考文献  69-72
作者在学期间取得的学术成果  72

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 导航设备、水声设备 > 导航设备
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