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SINS/GPS/GM组合导航系统研究

李洪波  
【摘要】: 随着导航技术的发展,导航系统的性能要求越来越高,各种形式的组合导航系统已经成为当前重要的研究方向,而如何将多种导航设备有机地结合起来,充分有效地利用其提供的冗余信息,获得一种高精度、高容错性的组合导航系统,具有重要的现实意义。本论文以高空无人侦察机适用的导航系统为背景,研究了SINS/GPS/GM组合导航系统。在研究了各子系统导航原理和多传感器信息融合理论的基础上,设计了SINS/GPS/GM组合导航算法。 惯性导航系统、GPS卫星导航系统各有特点。SINS/GPS组合,性能互补,是高自主和高精度的导航方案。SINS/GPS组合导航系统虽然能够给出较高精度的位置和速度信息,但是无法给出高精度姿态信息,所以引入了地磁辅助测姿系统。通过固联到飞行载体上磁强计测得的地磁矢量与国际参考地磁场模型中对应点地磁矢量的转换关系,建立了姿态误差角的量测方程。利用姿态误差角构成的微小四元数,建立了姿态四元数的更新方程,为姿态矩阵的更新提供了一种更简洁的方法。 作为分散化滤波的特例,联邦卡尔曼滤波算法是组合导航系统中多传感器信息融合的关键技术,因此,本文在讨论了联邦卡尔曼滤波器的结构特点的基础上,设计了由位置、速度、姿态子滤波器构成的无重置联邦卡尔曼滤波器,并进行了仿真。为了提高联邦卡尔曼滤波器主滤波器对于局部滤波器性能变化的应变能力,研究了一种基于状态估计协方差矩阵特征值分解的自适应信息融合的联邦卡尔曼滤波算法,并在此基础上提出了基于各局部滤波器估计状态细分的改进自适应信息融合方法。仿真结果表明,改进的自适应信息融合算法进一步提高了组合导航系统的精度。 为了提高SINS/GPS/GM组合导航系统的容错性,对于组合导航系统容错性设计理论进行了研究,重点研究了局部滤波器量测数据有效性的χ2检验法。基于残差χ2检验法设计了SINS/GPS/GM组合导航系统局部滤波器故障检测隔离与重构的算法。仿真结果显示,该算法提高了组合导航系统的容错性。


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