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基于地磁/低成本MEMS惯性器件复合姿态测量方法研究

李会  
【摘要】:近年来惯性导航系统由于其特有的优点,如精度高、成本低、自主性好等,在航空航天、武器装备以及汽车、通讯等诸多领域内得到了广泛应用。但是由于惯导系统使用的MEMS惯性器件测量精度较低,而且惯导在解算过程中导航精度误差会随时间积累,难以长时间持续工作。地球磁场存在于整个地表及近地空间,是一个具有大小和方向的矢量场,并且具有一定的稳定性和规律性,可以发挥导航作用。本文对基于地磁/低成本MEMS惯性器件复合姿态测量方法进行了研究。 首先对地磁探测和惯导系统的地磁传感器和惯性器件的类型和选择进行了介绍,对其误差机理进行了分析,建立了误差模型,并对误差系数进行求解,通过实验方法对补偿结果进行检验,实验结果证明了补偿方法的可行性。 其次,编写了数据采集界面,该界面方便友好,可同时采集地磁传感器和惯性器件的数字量和模拟量。对地磁场理论以及地磁场要素进行了介绍,建立了用于飞行体姿态测量的各个坐标系,对基于地磁理论的姿态测量方法进行了推导。在三维姿态下,无法用地磁要素完全确定载体的三个姿态角度。文章对基于地磁要素的姿态辨识方法和新型定姿方法进行了半实物仿真实验研究。 再次,对捷联惯导理论和姿态矩阵的四元数更新算法进行了介绍和分析,对地磁传感器和加速度计以及地磁传感器和陀螺的复合测姿方法进行了研究,前者利用加速度计敏感重力加速度的方法对载体俯仰和滚转进行解算,后者通过四元数方法和四阶龙格库塔法求解四元数微分方程,进而求解姿态更新矩阵。 最后针对论文姿态辨识方法进行了对应的转台与车载实验研究,实验精度能够达到2°,证明了方法的正确性和可行性。


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