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捷联惯导系统动基座初始对准算法及其并行化实现研究

王凯利  
【摘要】:捷联惯导系统的初始对准是导航系统正常工作的前提条件,只有在获得了高精度初始姿态角的基础之上,捷联惯导系统才能进行准确的姿态解算、速度解算和位置解算。捷联惯导系统初始对准通常分为粗对准和精对准两个阶段,对准的两个主要指标是:对准计算时间和对准计算精度。然而在动基座条件下,现有的初始对准方法都难以快速精确的完成粗对准过程和精对准过程。因此,为了能够提高计算精度并且减少初始对准的计算时间,本文将对动基座条件下捷联惯导系统的初始对准作深入的研究。 在粗对准方面,本文提出了一种计算初始姿态矩阵的新方法。该方法将姿态矩阵的计算分解成三个不同的变换矩阵分别进行求解,通过将GPS速度、位置、以及IMU测量值在不同的坐标系中以积分的方式积累起来,可以得出坐标系之间的变换关系,从而实现粗对准。在精对准方面,本文建立了与粗对准结果相对应的精对准误差模型,并采用卡尔曼滤波算法来估计姿态失准角。为了提高初始对准的计算精度和更新频率,本文还重点研究了对初始对准算法的并行化实现,分别设计了粗对准过程和精对准过程的并行化执行方案。在精对准过程中,为了能够提高卡尔曼滤波器的计算更新频率,还研究了采用法捷耶夫算法和一维脉动阵列结构来实现滤波过程中的矩阵运算。 为了验证本文提出的初始对准算法和并行化实现方案的正确性与有效性,文中还进行了大量的仿真试验,并且搭建了以FPGA、GPS接收机和IMU构成的半实物试验平台。最后的仿真结果表明,本文提出的动基座粗对准新方法可以在12s内计算出误差小于1°的初始姿态矩阵,同时精对准算法也能准确的估计出姿态失准角。通过对初始对准并行化实现的性能分析和功能验证,表明本文对初始对准过程的并行化设计方案也是完整有效的。


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