无陀螺SINS与GPS组合导航系统研究

摘要

现代某些导弹等战术武器具有大过载和高机动的特点，而在传统的捷联惯导系统中包含的惯性器件有陀螺仪和加速度计，其中陀螺仪的抗冲击能力较差，因此应用在大过载和高机动的场合效果较差。但在无陀螺捷联惯导系统(GFSINS)中，惯性器件只有加速度计，所以在理论上GFSINS能更好的适用于大过载和高机动等高动态环境。近些年，随着MEMS技术的蓬勃发展，GFSINS的长寿命、高可靠性、低能耗、低成本和快反应等诸多优势愈发愈明显。所以，最近许多年国内外学者对GFSINS进行了深入的探索和研究，试图推进GFSINS的工程化和实用化。
　　 与传统的捷联惯导系统相比，GFSINS的导航精度较低，误差积累也较快。由于GFSINS导航原理和加速度计制造工艺的限制，要继续提高GFSINS的导航精度已经十分困难。因此，在继续加大力度发展单一高精度惯性导航系统(平台式和捷联式)的同时，组合导航系统逐渐成为发展新型导航系统的突破口，其中惯性/卫星组合导航系统是最具有应用前景的组合导航系统。由于本文研究的GFSINS/GPS组合导航系统是一个极其复杂的系统，所以论文的侧重点为：
　　 第一，证明了无陀螺导航系统中加速度计配置个数的必要条件，而后设计了一种九加速度计的配置方案，该方案设计简单，便于安装，可以同时提供角加速度和角速度乘积项等冗余信息，便于角速度的解算，在得到角速度后对无陀螺捷联惯性导航过程进行了推导和仿真。仿真结果表明：使用单一的无陀螺导航系统精度较低，误差随时间快速累积，难以满足导航需要。
　　 第二，重点研究了扩展H∞滤波在角速度解算中的应用。仿真结果表明：扩展卡尔曼滤波只有在白噪声干扰下才能有效提高角速度解算精度，而扩展H∞滤波在有色噪声干扰下对角速度解算精度依然具有较强的鲁棒性。
　　 第三，对于GFSINS/GPS组合导航系统，尝试了位置、速度和姿态的新型松散全组合模式，在这种组合模式下，GPS输出的信息能有效的校正FGFSINS的位置、速度和姿态输出信息。在建立组合导航系统的数学误差模型后，设计了一种GFSINS/GPS组合导航系统H∞滤波器，有效的解决了有色噪声干扰问题。并通过软件仿真对比了加速度计不同噪声干扰下卡尔曼滤波方法和H∞滤波方法的导航精度。针对组合导航系统存在的模型不确定和传统H∞滤波中滤波参数选取困难的问题分别提出了渐消记忆H∞滤波方案和基于LMI的H2/H∞混合滤波方案，通过仿真试验，验证了算法的有效性。