基于MEMS的捷联航姿系统初始对准技术研究

论文摘要

硅微惯性器件是集微型精密机械、微电子学、半导体集成电路工艺等新技术于一身的世界前沿性新技术。本文将重点研究由硅微惯性传感器组成的微惯性航姿系统的初始对准问题。硅微陀螺仪由于其可批量生产、体积小等优点已经在军事和民用方面起到了越来越大的作用。但硅微陀螺仪因为技术和工艺的限制,导致陀螺随机误差比较大。所以必须对随机误差进行补偿,为此需要对陀螺的随机噪声进行处理并建立数学模型。本文采用时间序列分析的方法对硅微陀螺仪的随机误差进行了检验和分析,并结合实测数据利用ARMA模型进行了建模与分析。初始对准技术对于微惯性航姿系统而言非常重要,其精度直接决定了系统工作的精度与速度。论文首先分析了捷联式惯性导航系统的相关理论,并在此基础上对硅微系统在静基座条件下的初始对准技术进行了研究。由于硅微陀螺具有不能敏感地球自转角速度的缺点,本文提出引入电子罗盘传感器的量测值解算航向角的方法辅助完成初始对准。由于在实际应用中微惯性航姿系统的工作环境经常是十分恶劣的,不能满足卡尔曼滤波所需的系统为线性系统,噪声服从或近似服从高斯分布,在初始对准的失准角为小角度等条件,传统的卡尔曼滤波经常失效。针对这一问题,本文提出应用粒子滤波理论对非线性非高斯条件下的微惯性航姿系统的初始对准进行滤波。并详细介绍了粒子滤波理论的基本原理,并对退化现象这一妨碍粒子滤波技术在实际工程中得到良好的应用的问题进行了分析,提出了两种解决退化现象的方法。本文还在粒子滤波的基础上介绍了无迹粒子滤波的原理和步骤,并针对粒子滤波和无迹粒子滤波的差别进行了仿真比较分析。最后,本文对粒子滤波技术在微惯性航姿系统的初始对准中的应用进行了仿真实验。结果表明,粒子滤波技术在非线性,非高斯状态下的滤波效果明显优于卡尔曼滤波,系统功能满足实践需要,具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 惯性导航技术简介
• 1.2 硅微惯性技术
• 1.3 初始对准技术
• 1.4 粒子滤波技术
• 1.4.1 粒子滤波的特点
• 1.4.2 粒子滤波的应用
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 捷联惯性导航系统
• 2.1 惯导系统基础知识
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 参数和变量的定义
• 2.2 捷联式惯性导航系统
• 2.2.1 捷联惯导系统原理
• 2.2.2 捷联惯导算法概述
• 2.3 捷联矩阵及其更新
• 2.3.1 坐标系变换
• 2.3.2 捷联矩阵的更新
• 2.4 捷联惯性系统的误差源
• 2.5 本章小结
• 第3章 硅微陀螺随机误差的时间序列分析建模
• 3.1 引言
• 3.2 逐步回归分析
• 3.2.1 回归分析
• 3.2.2 回归效果的检验
• 3.2.3 逐步回归算法
• 3.2.4 随机序列的检验与处理
• 3.3 ARMA 模型
• 3.3.1 陀螺仪数据的建模
• 3.3.2 陀螺实测数据建模
• 3.4 本章小结
• 第4章 捷联惯性导航系统的初始对准
• 4.1 引言
• 4.2 惯性导航系统的基本方程
• 4.3 方向余弦矩阵的微分方程
• 4.4 杠杆臂效应及其校正
• 4.5 电子罗盘测量原理
• 4.6 捷联式惯性导航系统初始对准原理
• 4.6.1 粗对准原理
• 4.6.2 精对准原理
• 4.7 微惯性航姿系统的初始对准
• 4.7.1 粗对准
• 4.7.2 系统误差方程
• 4.8 本章小结
• 第5章 粒子滤波及其改进算法
• 5.1 概述
• 5.2 贝叶斯定理
• 5.2.1 条件概率
• 5.2.2 贝叶斯假设
• 5.2.3 贝叶斯定理
• 5.3 粒子滤波原理
• 5.3.1 蒙特卡罗原理
• 5.3.2 序贯重要性采样（SIS 采样）
• 5.3.3 退化问题
• 5.3.4 消除退化现象的方法
• 5.4 UPF 原理及其仿真
• 5.4.1 UPF 算法
• 5.4.2 UPF 仿真
• 5.5 粒子滤波在捷联航姿系统初始对准中的应用
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢