纬度信息受限条件下捷联惯导系统的初始对准方法研究

摘要

初始对准是捷联惯性导航系统的重要技术之一，初始对准的对准时间和对准精度是衡量捷联惯性导航系统性能的两大指标。因此，初始对准在SINS中十分重要，国内外关于此项工作的诸多研究成果也相对成熟。然而，如何在纬度信息受限条件下，尤其是动态环境中完成SINS初始对准仍然是一个亟待解决的关键问题。这项工作也十分具有研究意义。在某些特殊环境中，例如树林、地下、深海等复杂条件，有时无法利用GPS等设备获取纬度信息，这就必须依靠惯性传感器自身的测量信息来完成SINS的初始对准工作;在某些情况下的初始对准只要求姿态信息的准确度，而不要求位置信息的准确度。本文针对纬度信息受限条件下的惯性导航系统初始对准问题展开研究，利用加速度计和陀螺仪的实时输出，自主地完成纬度估计以及初始对准。本文的研究工作主要分为以下几个方面:
　　首先，分析了纬度信息受限或者说纬度未知对SINS初始对准工作的影响。经分析以及理论推导可知，初始对准离不开纬度信息，并进一步量化了纬度误差对姿态角误差的影响。对于动态条件下的双矢量定姿来说，俯仰角误差与纬度误差成正比。因此，纬度未知条件下，利用双矢量定姿进行初始对准的前提是估算出精度较高的纬度值。在此基础上，本文分别讨论了静基座条件下以及晃动基座条件下的纬度自估计方法，并对这两种方法进行了误差分析。通过分析以及仿真验证可知，基于晃动基座下纬度自估计方法的纬度误差主要受加速度计输出误差的干扰。基于此，本文提出了改进的纬度自估计方法，包括基于速度积分以及基于小波滤波这两种针对加速度计输出的数据处理方法。通过实验分析可知，这两种方法均能有效地抑制加速度计输出干扰，但相比之下，基于小波滤波的纬度自估计方法输出结果曲线更加平滑，因此本文选用该种方法进行纬度估计。经过实验数据验证可知，在系泊状态下，5分钟以内的纬度估计误差值能收敛到0.5度以内。
　　其次，在完成纬度估计的基础上，提出了晃动基座下基于双矢量定姿的对准方法。该方法定义了一种新的坐标系，载体凝固惯性坐标系。通过链式分解将姿态矩阵分解为四个矩阵相乘的形式，将姿态矩阵的求解问题转化为关键子矩阵的求解。通过实验验证可知，在经过5分钟的纬度估计以及2分钟对准以后，系泊状态下基于纬度估计以及双矢量定姿的对准结果为:水平误差角能控制在0.02度以内，方向误差角在0.2度以内。由于该方法无法适用于存在线运动的对准环境中，在动基座条件下，对基本惯导方程进行变形，在外界速度信息的辅助下，利用四元数与姿态矩阵间相互替代关系将初始姿态的求解问题转化为Wahba姿态确定问题，仿真验证了该算法在动基座条件下的适用性。
　　最后，针对纬度未知条件下先估算纬度会占据较长的时间，并且对准误差依赖纬度值的精度等问题，提出了基于正交基构建的直接对准方法。该方法不需要已知纬度信息，将姿态矩阵的求解问题转化为导航坐标系中正交基在载体系下的投影值求解问题。利用加速度计以及陀螺仪的输出直接构建正交基来完成姿态矩阵的计算方法只适用于静基座条件下，在动态条件下必须要将振动干扰角运动进行隔离。基于此本文提出了基于重力视运动的正交基构建方法。依然是用到了载体凝固惯性坐标系，将姿态矩阵分解成两个矩阵相乘的形式，并将姿态矩阵的求解问题转化为关键矩阵的正交基构建问题，即导航系下的正交基在载体凝固惯性坐标系下的投影值求解问题。经过仿真验证了该算法适用于纬度未知条件下，摇摆基座的初始对准。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1选题的背景及意义

1．2惯性导航系统初始对准技术的概述

1．3国内外研究现状

1．3．1动、静基座条件下SINS初始对准研究现状

1．3．2纬度未知条件下的初始对准研究现状

1．4论文主要工作和结构安排

第2章捷联式惯导系统初始对准

2．1 SINS初始对准常用坐标系及参数变量

2．2坐标系之间的变换以及姿态矩阵更新

2．2．1姿态矩阵的推导

2．2．2姿态矩阵的更新

2．3初始对准原理

2．3．1解析式粗对准

2．3．2卡尔曼滤波精对准

2．4纬度信息受限对初始对准影响分析

2．5本章小结

第3章捷联惯导系统纬度自估计方法

3．1基于惯性元件输出的纬度估计方法

3．1．1静基座条件下纬度自估计方法

3．1．2摇摆基座条件下纬度自估计方法

3．1．3纬度估计误差分析

3．2改进的纬度自估计方法

3．2．1基于速度积分的纬度估计算法

3．2．2基于小波滤波的纬度估计算法

3．2．3改进的纬度自估计算法对比分析

3．3捷联惯导系统纬度自估计方法实验验证

3．4本章小结

第4章基于纬度估计与矢量定姿的SINS对准方法

4．1摇摆基座下基于双矢量定姿的对准方法

4．1．1基于双矢量定姿的对准方案

4．1．2摇摆基座条件下对准方案仿真分析

4．1．3系泊条件下对准方案实验分析

4．2动基座下基于矢量计算的SINS对准方法

4．2．1运动基座下姿态确定方法理论分析

4．2．2 Wahba姿态确定问题求解

4．2．3运动基座条件下对准方案仿真分析

4．3本章小结

第5章基于正交基构建的纬度未知条件下SINS对准方法

5．1基于正交基构建的直接解析对准方法

5．1．1方向余弦矩阵的正交基表示

5．1．2与传统解析法的统一关系

5．2基于重力矢量和正交基构建的SINS对准方法

5．2．1纬度未知条件下SINS自对准方案

5．2．2构建重力视运动向量

5．2．3基于重力视运动向量的正交基构建对准方法

5．2．4摇摆基座条件下SINS自对准仿真分析

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