激光捷联惯导系统误差标定与高精度导航算法研究

论文摘要

惯性导航可以用于确定载体的姿态和位置等参数,是实现载体自主式控制和测量的最佳手段。在军事、民用领域中的各类飞行器上,惯性导航系统作为一种现代化导航设备已被广泛应用,尤其在现代军事航空领域中发挥着举足轻重的作用,已经成为一个国家科技水平和军事实力的重要标志之一。惯性导航系统分为平台惯性导航系统和捷联惯性导航系统,随着计算机技术的进步,在中低精度的使用场合中,捷联惯性导航系统将会逐步取代平台惯性导航系统,而捷联惯导系统的误差补偿技术是捷联惯导系统的关键技术。本课题首先分析捷联惯导系统的误差来源。依据捷联惯导系统的工作环境,一方面分析了器件误差带来的影响,另一方面分析了典型圆锥运动和划船运动对系统导航精度的影响。惯性器件引起的误差是不可避免的,这与惯性器件的精度有关,可以用软件的方法加以补偿。如何在惯性器件精度不高的条件下,标定出惯性器件的误差大小并加以补偿从而提高捷联惯导系统的精度是一项意义重大的工作。本文提出了一种可行的三位置惯性器件误差的标定方法,并进行了实际数据仿真。捷联姿态算法的性能可由典型的圆锥运动输入来评价。本文比较了圆锥运动存在条件下的几种姿态算法。在这几种算法中,旋转矢量算法是一种有效补偿不可交换性误差的算法。本文还对在圆锥运动环境下产生的不可交换性误差进行算法仿真。在高动态环境下,进行速度解算时,会产生划船误差,本论文以典型划船运动作为输入,分析了划船运动的影响,并对划船运动环境下产生的误差加以补偿,进行了算法仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及其研究意义
• 1.2 捷联惯导系统器件误差
• 1.2.1 国内外研究进展
• 1.2.2 有待深入研究的问题及发展方向
• 1.3 捷联惯导系统高动态环境下误差补偿
• 1.3.1 国内外研究进展
• 1.3.2 有待深入研究的问题及发展方向
• 1.4 本课题意义及主要研究内容
• 第2章 捷联惯性导航系统概述
• 2.1 引言
• 2.2 捷联惯性导航系统的工作原理
• 2.2.1 常用坐标系定义
• 2.2.2 坐标系之间的转换关系
• 2.3 捷联惯导系统器件误差
• 2.3.1 激光陀螺误差模型
• 2.3.2 加速度计误差模型
• 2.4 捷联惯导系统误差方程
• 2.4.1 姿态角微分方程
• 2.4.2 速度微分方程
• 2.4.3 位置微分方程
• 2.4.4 捷联惯导系统误差方程
• 2.5 捷联惯导系统姿态算法
• 2.5.1 欧拉角法
• 2.5.2 方向余弦法
• 2.5.3 四元数法
• 2.6 捷联惯导系统高动态环境下误差
• 2.6.1 圆锥误差
• 2.6.2 划船误差
• 2.7 本章小结
• 第3章 捷联惯导系统的器件误差分析与标定
• 3.1 引言
• 3.2 静基座条件下系统误差方程
• 3.3 惯性器件误差对系统的影响
• 3.3.1 激光陀螺误差对系统的影响
• 3.3.2 加速度计误差对系统影响仿真分析
• 3.4 三位置器件误差标定方法
• 3.4.1 标定位置选取
• 3.4.2 加速度计误差的可辨识性分析
• 3.4.3 陀螺误差的可辨识性分析
• 3.4.4 标定方程推导
• 3.4.5 可观测误差参数的估计方法
• 3.5 实测数据实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 圆锥误差补偿
• 4.1 引言
• 4.2 四元数微分方程
• 4.2.1 四元数微分方程及其增量算法
• 4.2.2 四元数微分方程四阶龙格库塔法
• 4.3 等效旋转矢量算法
• 4.3.1 等效旋转矢量微分方程
• 4.3.2 四元数更新方程
• 4.3.3 等效旋转矢量单子样算法
• 4.3.4 等效旋转矢量双子样算法
• 4.3.5 等效旋转矢量三子样算法
• 4.3.6 等效旋转矢量四子样算法
• 4.4 锥运动条件下旋转矢量优化算法
• 4.5 优化算法仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 划船误差补偿
• 5.1 引言
• 5.2 速度解算中的划船误差
• 5.3 划船误差补偿算法
• 5.3.1 双子样算法
• 5.3.2 三子样和四子样算法
• 5.4 划船效应补偿项的优化算法
• 5.5 优化算法仿真
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢