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《哈尔滨工程大学》 2010年
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重力梯度辅助导航定位技术研究

刘凤鸣  
【摘要】:目前,许多飞行载体均以惯性导航系统(INS)为核心导航工具。然而,随着时间的推移,导航系统的定位误差不断增大。为了抑制定位误差的积累,大多数飞行载体采用譬如卫星辅助导航、景象匹配辅助导航、地形匹配辅助导航等外部辅助导航的方法对惯性导航系统进行修正。每一种方法或需要向外发射信号、或需要接收外界信号,均容易受到外界的干扰。本文介绍一种完全自主的、不受任何外部因素影响的辅助导航系统—重力梯度辅助导航系统(GGI/INS)。 论文以超音速飞行载体为实例,研究重力梯度辅助导航系统的各种关键技术,分析其导航效果。重力梯度辅助导航基本要素分别为:惯性导航系统、重力梯度图、重力梯度仪和重力梯度辅助导航算法,论文分别对这几方面展开研究。其主要内容如下: (1)惯性导航系统是整个系统的基础。为此,论文以捷联式惯性导航系统为研究对象,讨论惯性导航系统常用坐标系以及它们之间的相互关系,建立捷联式惯性导航系统的导航方程和误差方程。这些是研究重力梯度辅助导航系统的前提。 (2)由于种种条件限制,目前还没有任何有关全球重力梯度的数据库问世。因此,如何利用现有条件对重力梯度图进行仿真成为一个迫切需要解决的问题。在地球重力信号谱中,地质密度变化引起的梯度分量主要位于重力信号谱中的低频部分,而地形引起的梯度分量主要位于重力信号谱中高频部分。基于此论文利用地球球谐模型模拟重力梯度的低频、长波分量;利用地形正高图模拟地球的高频、短波分量。同时,论文分析了地球重力梯度的特征;研究了地形高度与重力梯度的关系;计算出梯度图中忽略地形高度的方法;给出重力梯度图仿真方案。 (3)重力梯度仪(GGI)是重力梯度辅助导航关键因素之一。论文推导出基于加速度计重力梯度仪测量机理;给出重力梯度在不同坐标系下的转换关系;以及测量结果中旋转角速度影响的处理方法。并以美国Bell/Aero重力梯度仪为例,导出旋转加速度计型重力梯度仪测量结果和全加速度重力梯度测量方案。基于上述原理,论文设计出一12加速度计重力梯度仪,分析其捷联式与平台式安装于惯性导航系统中存在的问题及解决方案,导出梯度仪捷联式与平台式安装时的线性化误差方程,并将其应用于重力梯度辅助导航滤波算法之中。 (4)滤波算法是重力梯度辅助导航系统中最后一个关键因素。论文对扩展卡尔曼滤波算法进行分析,导出动态系统线性化过程和离散卡尔曼滤波运算过程,建立重力梯度辅助导航系统的算法模型。通过仿真研究重力梯度仪对惯性导航系统的改善,分析惯性测量元件、重力梯度变化、重力梯度仪噪声、重力梯度仪类型等因素对导航精度的影响。 (5)重力梯度辅助导航系统的正常使用受到载体飞行速度、飞行高度、重力梯度变化等因素的影响,不同条件下系统灵敏性不同。论文通过仿真研究不同配置下重力梯度辅助导航系统对外界各种因素的灵敏性,给出了重力梯度辅助导航系统设计过程中的限制因素。
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