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《哈尔滨工程大学》 2010年
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GPS/SINS超紧密组合导航系统的关键技术研究

张涛  
【摘要】:GPS/SINS超紧密组合导航系统增强了对GPS的修正,利用组合导航滤波器估计的导航信息辅助GPS的信号跟踪过程,增强了GPS的抗干扰能力,增强了组合系统在弱信号和高动态环境下的导航性能。 本文主要对GPS/SINS超紧密组合导航系统的GPS修正、可观测性分析、辅助信息异常检测和导航数据同步、组合导航滤波这些关键问题进行了研究和探讨。 目前超紧密组合导航系统GPS修正方法的组合导航滤波器计算量大,系统可靠性差,GPS跟踪过程容易受到不稳定跟踪环路的影响,针对这些问题本文提出了双跟踪闭环超紧密组合导航系统GPS修正方法。双跟踪闭环修正方法通过增强GPS跟踪环的跟踪性能来提高GPS的性能,GPS的跟踪过程以自主跟踪为主,由SINS输出的导航信息对跟踪信号的多普勒频移进行估计,提供对GPS跟踪过程的外部修正。跟踪环内码与载波跟踪一同进行,相互辅助,利用码跟踪较好的抗干扰和载波跟踪的高精度特性,增强了GPS的自主跟踪性能。组合导航滤波器测量GPS与SINS的导航偏差,实时的估计、修正SINS的误差,修正后的SINS为GPS跟踪过程提供了高更新率和可靠的修正信息,增强了跟踪过程的抗干扰能力。由于各通道的跟踪过程没有直接的联系,减小了跟踪过程的相互干扰,增强了在弱信号环境下的跟踪性能。载波频率误差修正与载波相位误差修正分离,分别由通道滤波器和组合导航滤波器估计、修正,减小了组合导航滤波器的计算量。仿真结果表明,双跟踪闭环修正方法增强了GPS跟踪过程在弱信号和载体高动态运动环境下的性能,满足提高超紧密组合导航系统性能的要求。 可观测性分析是超紧密组合导航系统设计必不可少的一部分。由于超紧密组合导航系统复杂的时变特性,应用一些传统的可观测分析方法对其可观测性进行分析较为困难。本文通过对超紧密组合导航系统的分析,从可观测性的定义出发,根据系统的特点提出了一种超紧密组合导航系统可观测性分析的方法。根据系统的特性,通过一系列降维和近似处理简化了可观测性的分析过程,将载体的运动分解,通过对分解运动的可观测性分析来了解组合系统的可观测性随载体运动变化的情况,为系统的设计提供了指导。 提出了一种基于局域波分析的多普勒频移异常检测方法。针对经验模式分解方法筛选条件不严格和分解存在伪分量的问题,改进了筛选条件,提出了伪分量的消除方法。利用多普勒频移信号所具有的自相似特性,应用局域波方法对多普勒频移与同相信号在相同时刻自相似性的变化进行分析,得出多普勒频移异常的判断。实验分析结果表明,此方法可以有效的检测出多普勒频移所出现的异常。以AR模型估计为基础,提出了SINS辅助信息时序估计方法,有效地抑制了短时SINS修正扰动。提出了以GPS秒输出脉冲为时间基准的GPS与SINS的时间同步方法。针对通道内滤波过程、组合导航滤波过程的观测时刻与滤波时刻不同步问题,提出了数据同步方法,根据数据更新同步时间差,分别由通道滤波器和导航滤波器所得到的最优估计值,利用时间更新和状态更新的方法对滤波时刻的观测值进行估计,减小滤波误差。仿真实验表明,本文所提出的数据同步方法有效的减小了时序误差,增强了GPS跟踪过程和组合导航滤波过程的精度。 组合导航参数估计是组合导航系统研究的最关键问题。针对滤波过程因误差模型不正确和噪声估计不准确导致滤波估计误差较大的问题,通过对超紧密组合导航系统的研究,提出了以最大似然估计为基础的系统噪声和量测噪声的估计方法。对超紧密组合导航系统的可观测性分析表明,系统中存在不可观测量,且随着载体的运动状态的不同可观测性将发生变化,状态的不可观测持续时间一般较短。状态可观测性的改变将对组合导航滤波过程产生很大影响,导致滤波误差增大甚至发散。本文提出了以模糊控制规则为基础的渐消记忆自适应卡尔曼滤波方法。该方法对卡尔曼滤波的增益矩阵设置了权值,通过改变权值来调整观测信息对新状态估计所产生的影响,由前面对超紧密组合导航系统可观性的分析结果,设计了权值的模糊调整方法。由载体的速度、加速度和姿态测量信息,由已得到的可观测性分析结果,实时调整权值的大小,减小不可观测状态对滤波过程的影响。仿真实验结果表明,模糊渐消记忆自适应卡尔曼滤波方法减小了状态可观测性短暂变化的影响,增强了滤波的精度,提高了超紧密组合导航系统的性能。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN967.2

【引证文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前3条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【参考文献】
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李春进;李明峰;常小林;;基于卡尔曼滤波的公路施工控制点稳定性分析[A];江苏省测绘学会2011年学术年会论文集[C];2011年
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8 张泽;段广仁;;超定条件下基于星敏感器的姿态确定[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 尚松田;邓志红;付梦印;王瑞涛;莫凡;;单轴旋转调制对光纤陀螺惯导系统精度的影响分析[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王婷;EMD算法研究及其在信号去噪中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 夏全喜;车载组合导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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5 丁国强;惯性导航系统传递对准技术关键问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 王小旭;非线性SPKF滤波算法研究及其在组合导航中的应用[D];哈尔滨工程大学;2010年
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8 田峰敏;水下地形导航模型求解与导航区初选策略研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
9 沈锋;中短波扩频导航接收机信号同步方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
10 丁继成;弱信号条件下GPS接收机关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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1 余熠;基于SOC估计算法的电动汽车充电器设计[D];安徽工程大学;2010年
2 郑洪波;虚拟倒立摆系统的控制研究[D];山东科技大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【二级引证文献】
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1 周卫东;蔡佳楠;孙龙;郑兰;;GPS/SINS超紧组合导航系统可观测性分析[J];北京航空航天大学学报;2013年09期
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【相似文献】
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4 通讯员 王红霞;中航工业宝成迎来55周年华诞[N];中国航空报;2010年
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7 计红胜 杨得志;中国新锐战机亮相新加坡航展[N];中国航空报;2004年
8 张鹏 张辛农 王丽梅;宝成“两园”项目完成规划初审和设计招标[N];中国航空报;2010年
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10 本报记者 庞文渊;宝鸡航空装备产业园项目启动[N];宝鸡日报;2009年
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7 钱伟行;捷联惯导与组合导航系统高精度初始对准技术研究[D];南京航空航天大学;2010年
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10 曲铁军;高精度车载惯性导航系统关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2005年
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1 杨晓亚;GPS/INS/TAN组合导航系统应用研究[D];西北工业大学;2006年
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4 彭霞;信息融合在GPS/INS组合导航中的应用[D];青岛科技大学;2005年
5 张楠;高空长航时无人机组合导航系统研究[D];西北工业大学;2006年
6 赵俊梅;GPS/SINS组合导航系统滤波算法研究[D];中北大学;2006年
7 尹增亮;组合导航系统在管道地理位置测量中的应用[D];沈阳工业大学;2006年
8 阎喆;GPS/SINS组合导航系统的研究及仿真[D];电子科技大学;2010年
9 郭真;AUV高精度组合导航技术研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
10 赵杰;组合导航系统软件可靠性设计与分析[D];哈尔滨工程大学;2006年
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