协同导航网络下微惯性导航系统研究

摘要

考虑到MEMS惯性器件组成的航姿测量系统具有体积小、功耗低等诸多优点以及无人艇的协同导航技术具有的广阔应用前景，本文结合实验室在研的无人艇协同导航系统项目，开展基于MEMS惯性器件MIMU与磁强计组合的系统航姿测量算法的研究。
　　由于MEMS惯性器件的精度直接影响着姿态测量的精度，论文首先展开对MEMS惯性器件的误差分析与补偿的研究。根据MEMS器件的误差方程，针对MEMS的随机误差，通过采用时间序列法分析法，以MEMS陀螺仪实测漂移误差为例进行分析，并运用ARMA(2，1)模型对其进行误差补偿;针对MEMS惯性器件的确定性误差则采用分离标定法分别对MEMS陀螺仪和MEMS加速度计进行实验标定。从而为后续进行姿态解算算法奠定基础。
　　基于MEMS惯性器件的航姿测量系统尚不具备独立完成实时稳定的姿态测量任务，本文选用磁强计作为辅助传感器与MIMU形成组合航姿测量系统。根据对磁强计系统误差的分析，针对磁强计在磁航向测量中主要受到磁罗差误差的影响，文中采用基于椭圆假设的罗差补偿方法进行研究。并通过实测试验完成数据的误差补偿同时验证了补偿效果。
　　基于MIMU/磁强计的组合航姿测量系统的总体设计，对组合导航系统的姿态更新算法进行了研究。在综合考虑了采用的MEMS陀螺仪型号以及实际舰船航行环境的基础上，文中对常用的姿态解算算法进行了理论分析和仿真实验，并最终确定基于四元数法的四阶龙格-库塔法作为组合导航的姿态更新算法。
　　本文采用MEMS加速度计和磁强计的量测值完成组合系统的初始对准。在这基础上推导建立了系统卡尔曼滤波方程来进行数据信息融合，并使用MATLAB软件仿真验证算法的有效性。最后部分针对协同导航网络下跟随成员艇的航向角误差在线补偿问题展开了研究，给出了本文的修正方法并通过跑车实验模拟实际情况来验证算法的可行性。
　　通过本文对微惯性器件与磁强计组合的航姿测量系统的研究，将此航姿测量系统应用到无人艇协同网络下的跟随成员小艇上，并作为跟随成员小艇的导航系统设备。希冀此研究成果能逐渐从理论走向实践，并最终应用于无人艇的协同作战领域中。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 航姿测量系统研究发展现状

1．2．2 组合系统传感器的研究发展现状

1．2．3 协同导航研究发展现状

1．3 研究方案概述

1．3．1 课题分析

1．3．2 设计方案

1．4 论文主要研究内容

第2章 微惯性传感器的误差分析和补偿

2．1 MEMS加速度计的误差模型

2．1．1 MEMS加速度计的工作原理

2．1．2 MEMS加速度计的误差分析和补偿

2．2 MEMS陀螺的误差模型

2．2．1 MEMS陀螺的工作原理

2．2．2 MEMS陀螺的误差分析

2．3 MEMS陀螺的误差补偿

2．3．1 时间序列分析法

2．3．2 MEMS陀螺随机误差建模

2．4 微惯性传感器的标定实验

2．4．1 MEMS陀螺仪的标定

2．4．2 MEMS加速度计的标定

2．5 本章小结

第3章 磁强计的误差分析和补偿

3．1 磁强计工作原理及误差分析

3．1．1 磁强计的工作原理

3．1．2 磁航向测量误差分析

3．1．3 磁强计的误差模型

3．2 磁强计罗差补偿方法研究

3．2．1 椭圆假设

3．2．2 罗差校正理论

3．3 磁强计的试验测试与罗差补偿

3．3．1 电子罗盘的试验测试

3．3．2 实验数据误差补偿

3．4 磁强计安装方式研究构想

3．5 本章小结

第4章 MIMU／磁强计姿态更新算法研究

4．1 惯性导航基本概念

4．1．1 常用坐标系介绍

4．1．2 姿态角的定义

4．1．3 姿态矩阵定义

4．2 常用的捷联姿态算法

4．2．1 欧拉角法

4．2．2 方向余弦法

4．2．3 四元数法

4．3 姿态更新

4．3．1 毕卡求解法

4．3．2 龙格-库塔法

4．3．3 等效旋转矢量法

4．3．4 Rodrigues参数法

4．4 算法的选取分析

4．4．1 理论分析

4．4．2 算法比较

4．5 本章小结

第5章 航姿测量系统算法设计与应用

5．1 姿态测量系统的初始对准技术

5．2 卡尔曼滤波理论知识

5．3 航姿测量系统的卡尔曼滤波器设计

5．3．1 滤波器的状态方程

5．3．2 滤波器的观测方程

5．3．3 滤波器的更新方程

5．4 航姿测量系统的应用

5．5 仿真实验

5．5．1 算法仿真与分析

5．5．2 航向角的修正仿真与分析

5．6 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