论文题目: MIMU及其与GPS组合系统设计与实验研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 仪器科学与技术
作者: 尚捷
导师: 顾启泰
关键词: 微型惯性测量组合,运动参数测量,全球定位系统,组合导航
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着 MEMS 技术和微光电技术的迅速发展,出现了微型惯性测量组合(MIMU),由于它们在体积重量、成本、可靠性等方面的优势,给惯性测量技术带来一次全新的变革和发展机遇。其不足之处是目前 MIMU 的测量精度还比较低,使其应用受到一定限制。因此,如何利用 MIMU 的优势来扩展其应用领域;克服不足之处来探索其应用的方式,成为该技术领域的研究重点。本文正是围绕这两个问题开展研究工作。首先,从典型 MIMU 器件入手,进行了实验研究。对其中主要器件VG941-3AM 微型光纤陀螺作了 ARMA 模型辨识,并设计了卡尔曼滤波器,减小其输出噪声,为提高系统精度提供了有效手段。MIMU 的设计采用内装式结构,外部具有六个正交基面;并建立了数学模型,采用正交最小二乘法处理实现在一个水平基准平面上翻滚进行快速标定。同时提出一种基于虚拟噪声的静基座捷联系统现场最优标定方法,同两位置或多位置方法相比,其结构简单、省时、易于实现,既能保持一定的姿态精度,又能大大降低导航和定位误差。然后,在上述研究工作基础上,完成了国内首枚弹射实验用模拟弹。采用参数化三维实体设计,精确模拟实际产品导弹的机械特性;模拟弹内部的微型惯性运动参数测量系统(MIMS)可自主的测量导弹弹射时的三维运动参数。经多次实验证明其工作可靠,测量精度高,动态性能好。最后,完成 MINS/GPS 组合系统实验样机。针对其组合方式的特点,分别采用状态与偏差去耦估计算法和 U-D 协方差分解与序贯处理算法,前者计算量小,后者不受可见星数目的限制。提出了一种姿态修正的方法,推导了利用姿态误差角估计修正姿态阵的公式,仿真和实验数据验证了该方法的有效性和可行性,特别适用于陀螺零偏较大和稳定性较差的场合。此外,对组合系统进行了多次车载实验。实验结果表明,系统工作正常,定位精度同 GPS 相当。通过实验,还仔细研究了两种组合方式以及修正间隔时间、GPS 失锁等对定位精度的影响。对于廉价性的 MINS/GPS 组合系统更适于采用位置、速度组合方式和状态偏差去耦估计算法,不仅具有较高的精度而且计算量小,易于工程实现。
论文目录:
第1章 绪论
1.1 论文背景和选题意义
1.2 国际和国内的研究和发展综述
1.2.1 微型惯性器件
1.2.2 捷联惯性导航系统的发展
1.2.3 卫星定位系统的发展与现状
1.2.4 SINS/GPS 组合导航技术的发展与现状
1.3 论文主要研究工作和各部分内容安排
第2章 微型惯性传感器的实验研究
2.1 本章引论
2.2 微型光纤陀螺仪
2.2.1 工作原理
2.2.2 标度因子测试
2.2.3 偏值稳定性和重复性试验
2.2.4 功率谱估计
2.2.5 输出噪声建模和滤波器设计
2.3 微硅加速度计
2.3.1 工作原理
2.3.2 参数测试与分析
2.4 本章小结
第3章 微型惯性测量组合及标定
3.1 本章引论
3.2 微型惯性测量组合
3.3 微型惯性组合实验室综合标定
3.3.1 安装误差角
3.3.2 测量方程
3.3.3 六面体翻滚静态标定法
3.3.4 标定的精度
3.3.5 标定结果
3.4 微型惯性组合现场最优标定
3.4.1 基本原理
3.4.2 基于虚拟噪声的最优估计
3.4.3 仿真实验
3.4.4 跑车实验
3.4.5 仿真和跑车实验结果分析
3.5 本章小结
第4章 弹射运动参数测量系统
4.1 本章引论
4.2 弹射试验用模拟弹设计
4.2.1 设计指标
4.2.2 设计实现
4.3 微型惯性测量系统组成
4.3.1 微型惯性测量组合
4.3.2 数据采集模块
4.3.3 数据存储及预处理模块
4.3.4 电源模块
4.3.5 数据后处理模块
4.4 微型惯性测量系统软件设计
4.4.1 高速数据采样与预处理程序设计
4.4.2 基于四元数法的捷联算法
4.5 弹射实验
4.6 本章总结
第5章 MINS/GPS 组合导航系统设计与实验研究
5.1 本章引论
5.2 机械编排方程
5.3 姿态矩阵计算
5.4 卡尔曼滤波器设计
5.4.1 惯性导航系统误差模型
5.4.2 GPS 测量的误差模型
5.4.3 MINS/GPS 组合系统
5.4.4 卡尔曼滤波算法
5.5 姿态修正方法
5.5.1 姿态阵修正
5.5.2 仿真实验
5.5.3 车载实验数据验证
5.6 车载实验
5.6.1 组合系统的硬件
5.6.2 MINS/GPS 松组合
5.6.3 MINS/GPS 紧组合
5.6.4 比对实验
5.6.5 修正间隔时间对组合系统精度的影响
5.6.6 GPS 接收机短时间失锁对系统精度的影响
5.6.7 系统定位误差随时间变化情况
第6章 结论
6.1 论文主要研究工作
6.2 论文主要创新点
6.3 论文研究工作总结
参考文献
致谢与声明
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
发布时间: 2006-06-29
标签：微型惯性测量组合论文; 运动参数测量论文; 全球定位系统论文; 组合导航论文;