贺信-捷联惯导的仿真及其组合导航的研究11

分类号学号2005611860013学校代码10487密级硕士学位论文捷联惯导的仿真及其组合导航的研究学位申请人：贺信学科专业：模式识别与智能系统指导教师：明德烈副教授马杰副教授答辩日期:2007年6月4日华中科技大学硕士学位论文IIAThesisSubmittedinPartialFulfillmentofheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringSimulationonStrapdownInertialNavigationSystemandResearchonItsIntegratedNavigationCandidate:HeXinMajor:PatternRecognitionandIntelligentSystemSupervisor:Ass.Prof.MingDelieAss.Prof.MaJieHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJun,2007独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文I摘要捷联式惯性导航系统是一种先进的惯性导航技术，是近年来惯性技术的一个发展方向。由于捷联系统具有一系列优点，捷联系统取代平台式惯性导航系统，已成为新世纪惯性技术发展的一大趋势。本论文详细讲述了捷联惯性导航系统的原理，并且建立捷联惯导的仿真平台，对其中关键技术进行了仿真研究；最后对组合导航的原理进行探讨，并且针对目前最为流行的INS/GPS组合导航进行初步研究。主要有一下几个方面内容：第一章介绍了导航的发展历史，对各种导航系统的优缺点进行对比，分析得出惯导作为新一代主要导航方式的原因，并且给出INS/GPS组合的必要性。第二章介绍了捷联惯导的原理。在捷联惯导姿态矩阵更新的算法中，介绍了四元数的原理，以及其在空间转动模型中的应用，同时给出了四元数法姿态矩阵更新算法；结合惯导的原理图，讲述了捷联惯导的原理，和数据处理的流程，然后用数学方法对每部分进行数学描述，建立捷联惯导的程序编排数学模型；用最常见的舰艇运动模型建立航迹仿真，为捷联惯导提供解析的数据；为了更接近真实的器件工作状态，进行惯性器件的误差仿真。第三章讨论捷联惯导的姿态矩阵的初始对准技术。讲述了粗对准的原理方法；在精对准中，介绍了卡尔曼滤波技术在其中的应用，通过模拟仿真，得出最后的误差估计。第四章研究组合导航的原理，给出常用的组合导航的方法。研究卡尔曼滤波器在组合导航中的作用；并且针对位置，速度组合导航模式，建立其综合滤波方程。关键词：捷联惯导，四元数，姿态矩阵，卡尔曼滤波器，组合导航华中科技大学硕士学位论文IIABSTRACTStrap-downinertialnavigationsystem(SINS)isakindofveryadvancedinertialnavigationtechnology,anditisadevelopingdirectionofinertialnavigation.ForSINShasaseriesofadvantages,ithasbecomeatrendthatSINSwilltaketheplaceofplatforminertialnavigationsysteminnewcentury.ThispaperexpatiatesontheprincipleofSINS,anddesignsanemluatorforthissystem.Somekeytechniquesaresimulated.Atlast,theprincipleofcombiningnavigationisstudiedinthispaper,andthemostpopularINS/GPScombiningnavigationisalsoresearched.Themostimportantcontentsareasfollows:1.Thispaperintroducesthehistoryofnavigation,liststheadvantagesandthedisadvantagesofthesenavigations,andgivesthereasonwhytheINSisthemostimportantnavigation.2.ThispaperexpoundstheprincipleofSINS.Inthealgorithmofupdatingattitudematrix,thequaternionanditsapplicationinthespacerotationmodelispresented,atthesametime,thealgorithmofupdatingattitudematrixofquaternionisshowed.UsingthepictureofSINSprinciple,theprincipleandthedataprocessingisexplained,mathematicsisusedtodescribeeverypart,andthemathmodelisdesignedintheprogramforsimulatingSINS.TheshipmovementmodelisusedtosimulatethetracktoofferthedataforSINSemulatormodel.Forgainingthetrueinertialdevicesdata,errorsofthedevicesaresimulated.3.Themethodsofinitialalignmentofattitudematrixaregiven.Theprinciplesofcoarsealignmentmethodandaccuratealignmentmethodarestudied.Kalmanfilterisintroducedintoaccuratealignmentmethod.4.Theintegratednavigationanditsprinciple,methodsarestudied.TheKalmanfilterisappliedinintegratednavigation.KalmanfilterequationsarebasedonGPS/INSposition&speedcombinedmethod.Keywords:strapdowninertialnavigationsystem(SINS),quaternion,attitudematrix,Kalmanfilter,integratednavigation华中科技大学硕士学位论文III目录摘要....................................................................................................................IABSTRACT.......................................................................................................II第一章绪论1.1主要导航系统的简介.....................................................................（1）1.2发展概况.........................................................................................（7）1.3组合导航的必要性.........................................................................（8）1.4主要研究内容和意义.....................................................................（9）第二章捷联惯导系统建模2.1导航系统中常用的坐标系...........................................................（10）2.2四元数理论....................................................................................（11）2.3捷联惯导系统的基本原理...........................................................（13）2.4本章总结.......................................................................................（29）第三章捷联惯导系统仿真3.1捷联惯导的初始对准...................................................................（31）3.2初始对准仿真...............................................................................（41）3.3捷联惯导系统仿真.......................................................................（42）华中科技大学硕士学位论文IV3.4本章总结.......................................................................................（53）第四章INS/GPS组合导航的研究4.1卡尔曼滤波原理与方程...............................................................（56）4.2组合导航的模式...........................................................................（60）4.3GPS接收机数据的接受与处理....................................................（63）4.4位置和速度综合导航...................................................................（68）第五章总结与展望...............................................................................（77）致谢.........................................................