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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2014年
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MEMS组合导航系统机载传递对准技术

张波  
【摘要】:基于微机电系统(Micro-Electro Mechanical Systems,MEMS)技术的捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)与全球定位系统(Global Positioning System,GPS)构成的组合导航系统具有低成本、小体积和轻质量等优点。传递对准作为组合导航系统的关键技术之一,直接影响到导航系统的工作精度。本文以机载导弹为应用背景,为解决MEMS-SINS/GPS组合导航系统机载传递对准精度低和对准时间长的问题,在建立机载传递对准误差建模的基础上对传递对准匹配方法和传递对准非线性滤波器设计等关键技术进行了系统性研究。论文主要内容如下: (1)建立了MEMS组合导航系统机载传递对准的误差模型,并对其进行了可观测性分析。在介绍了传递对准建模中各种坐标系的基础上,采用经典的小角度假设,建立了传递对准的线性时变误差模型;为了获得传递对准滤波器中惯性器件的随机误差项,建立了MEMS惯性器件随机误差模型。然后对建立的传递对准误差模型采用分段线性定常系统(Piece-Wise Constant System,PWCS)可观测分析方法进行了可观测性分析。 (2)研究了测量参数匹配、计算参数匹配和组合参数匹配传递对准方法。对于传统的单参数匹配方法,通过仿真比较,总结了各种匹配方法的优点和缺点。根据机载应用背景的特点,通过比较得出速度积分匹配方法的性能最优。对于组合参数匹配方法,仿真结果表明,速度加姿态匹配的快速传递对准方法快速性和准确性最好。 (3)针对大失准角下传递对准误差模型中的非线性问题,建立了传递对准非线性误差模型,并应用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filtering, EKF)和无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering, UKF)进行了滤波分析。结果表明,UKF与EKF相比,其滤波精度提高了46%以上,对准时间减少了17%。 (4)研制了传递对准系统原理样机,并通过跑车实验,验证了MEMS组合导航系统机载传递对准的精度指标,并证明了论文在机载对准匹配方法和非线性滤波问题解决上的有效性。结果表明,在26s的对准时间后,横滚角、俯仰角和航向角的误差精度分别为0.07°、0.19°和0.48°。 本文通过对MEMS组合导航系统机载传递对准过程进行理论研究、数字仿真和跑车试验,得到了适合机载MEMS组合导航系统的快速传递对准技术,建立了机载传递对准系统原理样机,研究结果在导航领域有一定的工程应用价值。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:V249.328

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