基于虚拟仪器的SINS/GPS组合导航系统研究

摘要

本论文研究目的是探讨SINS/GPS位置速度组合模式下应用卡尔曼滤波技术进行数据融合提高载体导航精度的问题。虚拟仪器具有三大功能:数据获取、数据分析及图形化显示;虚拟仪器开放、灵活,可与计算机同步发展,与网络及其他周边设备互联。因此本论文的研究方法是采用用虚拟仪器技术,利用ADLINK公司的多功能数据采集卡和美国国家仪器公司(NI公司)的强大的图形化编程语言LabVIEW,以通用计算机为主体,编写SINS/GPS组合导航系统的测量及仿真程序。
　　 文中介绍了捷联惯导系统的基本原理,详细阐述了捷联惯导系统导航参数解算方法;简要介绍了GPS系统组成及其定位原理;阐述了SINS/GPS组合导航系统的几种组合模式及其优缺点。针对这些组合模式本论文采用了松散组合方式中的位置速度组合开环校正模式。介绍了卡尔曼滤波原理,分别建立捷联惯导系统误差模型,GPS系统误差模型进而建立SINS/GPS组合导航系统状态方程和观测方程并对系统方程进行离散化处理。简要介绍了虚拟仪器软件的构成,虚拟仪器开发环境,使用虚拟仪器技术的测量系统及其构成和LabVIEW环境下的数据采集;简要介绍了ADLINK公司的PCI-9112多功能数据采集卡的性能指标和A/D转换模式:给出图形化编程语言LabVIEW软件的数据采集程序设计流程。
　　 在LabVIEW环境下编写了捷联惯导系统中陀螺,加速度计的信号采集程序,实现了陀螺和加速度计六路输出信号同时采集并保存的目的;编写轨迹仿真器输出程序,陀螺输出仿真程序,加速度计输出仿真程序,GPS输出仿真程序,捷联惯性系统仿真程序,卡尔曼滤波程序;按照位置速度组合开环校正模式将捷联惯性系统仿真输出及GPS仿真输出输入卡尔曼滤波子程序构建SINS/GPS组合导航系统仿真程序,获得速度误差曲线、位置误差曲线和平台误差角曲线并对这些仿真结果进行误差分析并对捷联惯性系统进行误差校正,得出本论文所构建的SINS/GPS组合导航系统是合理可靠的。总结了LabVIEW实现组合导航功能的特点和应用前景。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景、目的及意义

1.2 组合导航系统国内外发展现状

1.3 虚拟仪器

1.3.1 虚拟仪器的应用前景及发展趋势

1.3.2 LabVIEW开发环境

1.4 论文的主要研究内容

第2章 SINS/GPS组合导航系统原理

2.1 捷联惯性导航系统

2.1.1 常用坐标系

2.1.2 捷联惯导基本原理

2.1.3 捷联惯导系统导航参数解算

2.2 GPS系统组成及导航定位原理

2.2.1 GPS系统组成概述

2.2.2 GPS定位原理

2.3 SINS/GPS组合导航系统的组合模式

2.4 本章小结

第3章 SINS/GPS组合系统卡尔曼滤波算法

3.1 卡尔曼滤波原理

3.2 系统误差模型

3.2.1 加速度计和陀螺仪的误差模型

3.2.2 捷联惯导系统的误差方程

3.2.3 GPS误差方程

3.3 组合导航系统卡尔曼滤波算法

3.3.1 SINS/GPS系统状态方程

3.3.2 SINS/GPS系统观测方程

3.3.3 SINS/GPS系统方程的离散化

3.4 本章小结

第4章 LabVIEW环境下的数据采集技术

4.1 虚拟仪器软件系统

4.1.1 虚拟仪器软件构成

4.1.2 虚拟仪器开发环境

4.2 使用虚拟仪器技术的测量系统

4.2.1 虚拟仪器测量系统的构成

4.2.2 LabVIEW下的数据采集过程

4.3 PCI-9112数据采集卡

4.4 LabVIEW下的数据采集程序设计

4.5 捷联惯导系统的数据采集实验

4.5.1 惯性器件数据采集与数据存储程序设计

4.5.2 试验结果分析

4.6 本章小结

第5章 基于虚拟仪器的组合导航系统仿真

5.1 轨迹模拟器

5.1.1 陀螺仪仿真输出

5.1.2 加速度计仿真输出

5.1.3 GPS的模拟仿真输出

5.2 捷联惯性系统的仿真

5.2.1 捷联解算仿真程序设计

5.2.2 捷联导航解算的仿真结果

5.3 SINS/GPS速度位置组合滤波动态仿真

5.3.1 SINS/GPS组合导航系统仿真程序

5.3.2 SINS/GPS位置速度组合模拟仿真结果

5.3.3 SINS/GPS组合导航系统仿真结果分析

5.4 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