AUV捷联式惯性导航系统研究

论文摘要

近年来,自主式水下航行器(AUV)在海洋科学调查、海洋资源开发以及军事领域得到越来越广泛的应用;而作为AUV发展的关键的水下导航技术,也得到了广泛关注。本文以实际科研项目为背景,对以捷联式惯性导航(SINS)为核心的自主式水下航行器导航技术进行了研究,并实现了导航系统的仿真设计。主要工作有:首先分析研究了捷联式惯性导航系统的导航原理和基础理论。其次建立了AUV坐标系体系,对AUV捷联惯导系统进行了详细的力学编排和仿真系统编排。在Matlab环境下编写m文件对捷联惯导进行仿真设计,仿真系统包括轨迹发生器、惯性传感器模拟器和导航解算三个主要部分。其中,惯性传感器的仿真精度来自于本课题选取的陀螺仪和加速度计。仿真结果表明本文的捷联惯导仿真系统满足一定的精度要求,为AUV捷联惯导系统的软件编程和工程应用提供了可靠的方案。最后对捷联惯导系统进行误差研究,建立了导航参数误差方程,并对SINS/GPS组合导航进行了探讨,建立了组合导航Kalman滤波方程。仿真结果表明,SINS/GPS组合导航对SINS误差随时间不断加大的现象起到了很好的抑制作用,适合AUV长时间航行后浮出水面进行导航修正的情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 序言
• 1.2 AUV 发展概况
• 1.3 惯性导航系统的发展概述
• 1.4 AUV 导航系统概述
• 1.5 本课题的研究意义及主要工作
• 2 捷联式惯性导航系统理论基础
• 2.1 捷联惯导系统基本原理
• 2.2 捷联惯导系统常用坐标系及坐标变换
• 2.2.1 常用坐标系
• 2.2.2 坐标变换
• 2.3 姿态更新算法
• 2.3.1 方向余弦法
• 2.3.2 欧拉角法
• 2.3.3 四元数法
• 2.3.4 姿态更新算法比较
• 2.4 惯性传感器测量值与坐标系的关系
• 2.5 本章小结
• 3 AUV 捷联惯性导航系统分析与设计
• 3.1 捷联惯导系统设计要素
• 3.1.1 导航系统计算要求
• 3.1.2 导航系统的初始对准技术
• 3.1.3 惯性传感器的选择
• 3.2 AUV 捷联惯导系统力学编排
• 3.3 AUV 捷联惯导仿真系统编排
• 3.3.1 轨迹发生器
• 3.3.2 惯性传感器仿真器
• 3.3.3 捷联惯导系统导航解算
• 3.4 AUV 捷联惯导系统仿真实现
• 3.4.1 仿真系统软件结构
• 3.4.2 仿真系统软件流程
• 3.4.3 仿真分析
• 3.5 小结
• 4 AUV 捷联惯导误差分析及组合导航研究
• 4.1 捷联惯导系统的误差源
• 4.1.1 捷联惯导系统误差类型
• 4.1.2 惯性传感器误差分析
• 4.2 捷联惯导系统误差方程
• 4.2.1 捷联惯导系统的速度误差
• 4.2.2 捷联惯导系统的位置误差
• 4.2.3 捷联惯导系统的姿态误差
• 4.3 组合导航 Kalman 滤波模型
• 4.3.1 离散型卡尔曼滤波的基本方法
• 4.3.2 SINS/GPS 组合导航卡尔曼滤波方法
• 4.4 SINS/GPS 组合导航系统设计
• 4.4.1 状态变量的选取和系统状态方程的建立
• 4.4.2 组合导航系统观测方程的建立
• 4.4.3 组合导航系统仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的论文