船用捷联惯性/天文组合导航系统研究

摘要

惯性导航系统是一种自主的、不对外发射信号、不受外界干扰的导航系统，是舰船特别是战斗舰艇的导航核心，但由于其导航信息误差随时间积累，很难满足长航时需求；天文导航具有误差不随时间积累、隐蔽性好等优点，与惯导系统组合可以较好的抑制惯导误差发散以及使用卫星导航等无线电导航系统抗干扰能力不强的问题。为确保导航系统的战时可用性，实现全自主导航的必然要求，本文以舰船为应用背景，对惯性/天文导航技术进行了深入研究。
　　本文以星敏感器提供惯性姿态为切入点，围绕在惯性空间内解算姿态、完成组合导航、估计陀螺漂移展开了一系列研究。首先综述了捷联惯导系统、天文导航系统、惯性/天文组合导航系统国内外研究成果与发展动态；然后给出捷联惯导系统的数学模型和误差方程，分析惯导中主要误差源的传播过程和特性；给出了惯性/天文组合导航系统的机械结构和算法模式，推导捷联式天文导航定姿、定位算法，并结合位置矩阵解算经纬度的特点提出一种新的定位方法；另外，根据船舶导航的特点提出一种基于惯性空间的捷联航姿算法，详细分析了重力矢量在惯性空间内的特性，设计了巴特沃斯低通滤波器在比力信息中提取重力，确定地理北向，从而实现姿态解算，其在两个水平姿态角上不存在周期振荡误差，只在航向角上存在24小时地球周期震荡；最后，研究基于惯性空间的组合导航算法，采用惯性空间航姿算法为星敏感器提供高精度水平姿态，进而给出准确的天文定位信息，惯性测量单元同时进行惯性空间姿态解算和捷联惯导算法，以位置误差为观测量通过异步卡尔曼滤波估计系统误差并补偿，其中，提出了数据同步融合算法来避免天文导航和捷联惯导输出的不同时刻数据相融合时造成的误差，并且，利用惯性空间姿态解算的过程产品—惯性姿态，在惯性空间内与星敏感器进行姿态四元数组合估计陀螺漂移，并将补偿陀螺漂移和未加补偿的导航结果做了对比。仿真结果表明导航系统误差得到抑制，导航精度较高，可满足长航时导航需求。

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第1章 绪 论

1.1课题研究背景、目的和意义

1.2国内外研究成果与发展动态

1.3论文研究内容与组织结构

第2章 捷联惯性导航系统特性分析

2.1捷联惯导常用坐标系

2.2捷联惯导系统数学模型

2.3捷联惯导系统误差方程

2.4捷联惯导系统误差特性

2.5本章小结

第3章 惯性/天文组合导航系统特性分析

3.1天文导航常用坐标系

3.2惯性/天文组合导航系统的机械结构

3.3惯性/天文组合导航系统的算法模式

3.4捷联式天文导航方法

3.5本章小结

第4章 基于惯性空间的捷联航姿算法研究

4.1基于惯性空间的捷联航姿算法的提出

4.2基于惯性空间的捷联航姿算法设计

4.3重力矢量提取方法

4.4基于惯性空间的捷联航姿算法仿真与分析

4.5 本章小结

第5章 基于惯性空间的组合导航算法研究

5.1组合导航算法的总体设计

5.2组合导航系统模型

5.3数据同步融合

5.4组合导航算法仿真与分析

5.5惯性空间内估计陀螺漂移

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢