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微惯性/GPS组合导航系统研究

徐伟男  
【摘要】:随着科学技术的发展,卫星导航已经从原来的军用领域,逐渐普及到人们实际生活和工作中来。惯性导航作为最经典的自主导航,具有高隐蔽性、自主性且较强的抗干扰性等特点,但是针对其误差精度随着时间积累而发散的特点,惯性导航与全球定位系统的组合导航系统在实际工程中的应用也更加广泛,目前国内组合导航产品最为经典的组合方式莫过于松组合与紧组合两种。而随着惯性器件的发展,在工程上微惯性器件由于其体积小、重量轻以及携带方便等特点逐渐在某些领域取代了传统的光学惯性器件。本文主要针对工程上的微惯性导航系统与全球定位系统组合导航系统的几种组合方式展开研究。主要针对松组合与紧组合导航两种组合方式各自的原理,性能以及可观测性等方面做一些分析对比,得出两种组合方式各自的特点以及优缺点。首先,对惯性导航和全球定位系统卫星导航的一些基础的理论和公式进行简要总结。主要有微惯性导航中的坐标系的概念,坐标系之间的相互转化,比力方程以及速度位置姿态角的解算方程。其次对全球定位系统的组成部分以及各部分包括的内容进行简要概括,对全球定位系统的绝对定位原理以及差分定位原理进行简要介绍。之后简单概括一下卡尔曼滤波的相关知识,基本原理和概念,以及工程上卡尔曼滤波器的几种滤波方式,找到一种最适合本课题的滤波方法,然后提出两种组合方式,即松组合和紧组合。然后利用之前的基本原理进行松组合与紧组合滤波器相关的建模。其次,对建模后的组合导航的性能和特点展开研究,首先提出分段线性定常系统的概念,找到一种能够对此类系统进行可观测性分析的方法,利用提取可观测性矩阵代替此类系统的可观测性矩阵,求取提取可观测性矩阵的秩来反应系统的可观测性。其次利用上述方法对两种组合方式的系统分别进行可观测性分析,得到两种方式的系统的可观测性的性能的特点,并作出相应比较得出结论,此外还加入了紧组合导航系统在缺星状态下的可观测性分析,并进行前后比较,得出相应结论。最后,再对两种组合方式进行仿真分析,首先在只有微惯性导航系统作用的情况下进行分析,得到速度、位置以及姿态角误差随时间的曲线。其次在有全球定位系统作用的情况下的松组合方式进行仿真分析,得到相应的三种曲线在三个坐标轴向的相应的误差并与单一惯性导航的曲线做对比得出结论。然后对紧组合情况下的导航系统进行仿真,与之前松组合的仿真结果进行对比,得出结论。最后再对紧组合观测卫星数目小于4时的情况进行仿真,比较,得出结论。


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