水下滑翔机GPS/SINS组合导航系统研究

摘要

越来越多的人认识到利用水下智能机器人来探索人类未知领域深海大洋的重要性。水下滑翔机作为一种较廉价的水下探测传感器搭载平台，具有自主、远程、成本低、小体积、下潜深、航行时间长等特点，对于深海探测有着一定的优势。 本文研究的目标是搭建水下滑翔机较高精度的低成本水下导航定位系统，为深海大洋的开发探测提供技术支持。通过分析水下滑翔机的运动特点、工作的环境和导航系统的主要性能指标，选择捷联惯性导航系统。通过设计水下滑翔机捷联惯导系统仿真器仿真可知，由于SINS的误差随时间不断的积累，这样使得滑翔机导航参数不能满足精度的要求。 论文中讨论的导航系统是建立在水下滑翔机的运动规律基础上的，当水下滑翔机仅依靠自身浮力调节运动时，运动轨迹为锯齿形。文中通过简化其运动环境，研究了利用GPS/SINS组合导航系统来实现水下滑翔机导航定位的要求。 通过对水下导航理论的深入研究，设计了一种适合水下滑翔机的组合导航系统。在水面上时，利用GPS提供整体系统需要的位置坐标信息，同时完成数据处理系统的校正和初始化；在水下运动时，根据文中提供的数学模型，由SINS和深度计提供滑翔机的运动姿态信息，结合信息融合理论，设计了水下滑翔机在水面时GPS/SINS组合导航卡尔曼滤波器，通过仿真结果表明，该组合导航系统的导航精度从理论上能满足水下滑翔机的定位要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1水下滑翔机导航系统研究背景与意义

1.2水下滑翔机导航技术的发展现状

1.3 GPS/SINS组合导航系统

1.4论文的主要研究内容

第2章GPS/SINS组合导航系统的设计方案

2.1组合导航系统的总体设计方案

2.1.1水下滑翔机器人系统组成

2.1.2水下滑翔导航系统要求

2.1.3设计思路及系统总体框图

2.2 GPS/SINS组合方案的确定

2.3系统软件设计方案的确定

2.4信息融合理论

2.5本章小结

第3章水下滑翔机捷联惯导仿真器设计

3.1常用坐标系及转换关系

3.1.1常用坐标系

3.1.2坐标系之间的关系

3.2捷联惯导系统原理及力学编排

3.2.1捷联惯导系统组成

3.2.2四元素捷联导航算法

3.3惯性器件及系统仿真框图

3.3.1惯性器件的误差模型

3.3.2模拟的惯性器件输出的产生方法

3.3.3捷联惯导仿真框图

3.4水下滑翔机捷联惯导仿真器设计

3.4.1捷联系统仿真的程序编排

3.4.2捷联惯导仿真器的用户界面

3.4.3捷联惯导仿真及其结果分析

3.5本章小结

第4章GPS导航定位系统

4.1 GPS系统的组成和基本原理

4.1.1 GPS系统的组成

4.1.2 GPS常用坐标系

4.1.3 GPS导航定位基本原理

4.2 GPS误差分析

4.3 GPS误差简化模型

4.4 GPS/SINS组合导航系统的工作原理与模式

4.5本章小结

第5章水下滑翔机GPS/SINS组合导航系统设计

5.1捷联惯导系统的误差方程

5.1.1 误差源

5.1.2数学平台误差方程

5.1.3速度误差方程

5.1.4位置误差方程

5.2 GPS/SINS组合系统的状态方程及量测方程

5.2.1 GPS/SINS组合系统的状态方程

5.2.2 GPS/SINS组合系统的量测方程

5.3 GPS/SINS闭环组合卡尔曼滤波

5.3.1 GPS/SINS闭环离散型卡尔曼滤波方程

5.3.2状态方程和量测方程的离散化

5.4 GPS/SINS组合导航系统的仿真

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢