MEMS捷联惯导系统的初始对准技术研究

摘要

捷联式惯导系统现已是舰船导航领域中发展的主流方式，尤其是高精度器件的捷联惯导系统已被广泛应用。而MEMS惯性器件凭借成本低廉、尺寸微小等优势，在惯导系统的发展中得到重视。但由于MEMS陀螺组件的精度较低，对导航系统的工作性能造成影响，尤其为初始对准带来了很大难题，使得MEMS捷联惯导系统的发展受到较大限制。基于此，本文深入研究了舰船上MEMS捷联惯导系统的初始对准技术。 文章首先研究了在静基座下运用磁强计辅助完成对准的方法:以磁强计计算航向角作为初始航向角，并作为精对准Kalman滤波的观测量对解算信息进行辅助对准，最后通过仿真实验结果可知此方案达到了对准精度要求，但这种方案也具有一定的局限性。为了提高初始对准方案在实际应用中的价值，文章提出了一种将双轴旋转技术应用在MEMS捷联惯导中的初始对准方案，将零偏误差进行调制，使其周期内的积分为零，从而消除部分器件误差，提高初始对准精度。 在磁强计辅助对准的方案中，粗对准共给出了3种捷联矩阵的计算方法，包括一种利用磁强计直接计算航向角和两种构造矢量矩阵间接求得捷联矩阵。精对准选用在Kalman滤波的量测量中加入航向角误差的方法，并对其进行仿真及真实数据的实验验证。分析实验结果可知，磁强计辅助下的初始对准方案，水平姿态角对准误差不超过5角分，航向角误差小于1°。最后为测试磁强计的抗干扰能力，使用受铁块影响的磁强计数据算得航向角误差漂移较大，验证了磁强计输出易受环境影响的特点，为下文基于双轴旋转的自主对准方案的设计做铺垫。 针对MEMS惯性器件精度较低的特点，本文首先从旋转次序、旋转速度及转停时间三个因素出发对双轴旋转方案进行设计，并对确定的双轴旋转做出误差分析，验证其旋转调制效果。然后在此双轴旋转条件下设计了一套双轴旋转的方案:粗对准将罗经对法简化，省略其再对准的过程，直接对载体的姿态角进行估算;之后对系统进行可观测性分析，选出最佳状态变量，使用Kalman滤波和一种改进的Saga-Husa自适应滤波进行精对准。通过仿真实验验证，两种滤波方法均达到了理想的对准精度。 本文最后为测试在实际工作状态下初始对准方案的性能，设计了磁强计辅助的半物理仿真实验和双轴旋转的转台实验。通过对实验数据进行仿真验证，证明了这两种初始对准方案的实用性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景、目的及意义

1．2国内外相关技术的研究及发展现状

1．2．1微机电系统的研究和发展现状

1．2．2 MEMS初始对准技术的研究和发展现状

1．3论文的结构和主要研究内容

第2章捷联惯导基本原理及基于MEMS的仿真实验

2．1常用坐标系及坐标变换

2．1．1常用坐标系

2．1．2坐标变换

2．2捷联惯导系统的基本原理

2．2．1姿态更新算法

2．2．2速度更新算法

2．2．3位置更新算法

2．3惯导系统误差模型的建立

2．3．1姿态误差方程

2．3．2速度误差方程

2．3．3位置误差方程

2．4基于MEMS的仿真实验

2．5本章小结

第3章磁强计辅助MEMS捷联惯导系统的初始对准研究

3．1磁强计工作原理

3．2基于磁强计辅助的粗对准研究

3．2．1直接计算姿态矩阵Cnb的方法

3．2．2构造矢量fb×Mb求Cnb的方法

3．2．3构造矢量fb×Mb和(fb×Mb)×fb求Cnb的方法

3．2．4仿真实验及分析

3．3磁强计辅助的精对准技术研究

3．3．1 Kalman滤波的基本原理

3．3．2无辅助Kalman滤波精对准建模

3．3．3磁强计辅助Kalman滤波精对准建模

3．3．4磁强计辅助精对准仿真实验

3．4本章小结

第4章MEMS基于双轴旋转调制的初始对准方案研究

4．1双轴旋转调制方案及误差抑制原理

4．1．1双轴旋转方案设计

4．1．2双轴旋转调制的误差抑制原理

4．2 MEMS的捷联罗经粗对准方案设计

4．2．1捷联罗经粗对准的原理及步骤

4．2．2粗对准的仿真结果及分析

4．3基于双轴旋转调制的精对准研究

4．3．1系统的可观测性分析

4．3．2可观测状态量的选定

4．3．3 Kalman滤波的状态方程及量测方程

4．3．4基于改进Sage-Husa自适应滤波的精对准

4．4基于双轴旋转的精对准仿真实验

4．5本章小结

第5章初始对准实验验证

5．1磁强计辅助对准方案的实验验证

5．2双轴旋转方案实验验证

5．2．1粗对准实验验证

5．2．2精对准实验验证

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢