基于矢量计算的SINS惯性系解析对准方法研究

摘要

初始对准是捷联式惯性导航系统(SINS，Strapdown Inertial Navigation System)经典和核心话题。本研究针对晃动以及运动基座两种条件，分别研究了基于矢量计算的惯性系解析对准方法。
　　研究内容主要包括:
　　第一，介绍了惯性导航的基本知识，重点阐述了姿态更新算法的微分方程;对经典的双矢量定姿算法进行了总结概括;仿真结果表明经典双矢量定姿算法仅适用于静基座，而不适用于晃动基座。
　　第二，针对晃动基座条件下的初始对准问题，本研究利用链式法则将姿态矩阵Cnb拆成Cn(t)e(t)、Ce(t)e0、Ce0lb0和C1b0b(t)），从而将初始对准问题归结为Ce0lb0的求解问题，并利用双矢量定姿算法进行求解。针对重力视运动向量随机噪声干扰问题，简要介绍了递推最小二乘法的参数辨识与重构方法，提出了牛顿-拉格朗日迭代法的参数辨识与重构方法，并仿真验证了其有效性;针对对准过程中需要纬度信息的问题，进一步将初始对准问题归结为Cnlb0的求解问题，利用三矢量计算进行求解，并仿真验证了其有效性。
　　第三，针对运动基座条件下的初始对准问题，本研究引入外部速度、位置参考信息，并将初始对准问题归结为基于多矢量定姿的Wahba姿态求解问题，具体利用q-method方法完成姿态求解;详细分析了矩阵最小特征值所对应的特征向量即为初始四元数的最佳估计的机理;仿真验证了算法的有效性。
　　第四，针对初始对准过程中的仪表误差与杆臂长度估计问题，本研究建立了运动基座条件下的仪表误差和杆臂模型;通过对惯导基本方程进行移项、积分和离散化处理，将仪表误差和杆臂参数的求解转化为多元函数求极值的问题，运用了牛顿-拉格朗日迭代算法对其进行求解;在不同运动状态及仿真条件下，对该算法进行了仿真验证。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 惯性导航与初始对准技术概述

1．2．1 惯性导航系统

1．2．2 初始对准技术

1．3 解析对准方法国内外研究现状

1．4 主要研究内容

第二章 惯性导航与传统双矢量定姿的SINS对准方法

2．1 坐标系、基座类别及姿态矩阵

2．1．1 坐标系

2．1．2 基座类别

2．1．3 姿态矩阵

2．2 姿态更新算法

2．2．2 方向余弦矩阵微分方程

2．2．3 四元数微分方程

2．3 传统双矢量定姿的对准原理

2．4 传统双矢量定姿的仿真分析

2．5 本章小结

第三章 晃动基座条件下基于矢量计算的SINS对准方法

3．1 引言

3．2 重力视运动

3．3 基于重力视运动与双矢量定姿的SINS对准方法

3．3．1 基于重力视运动与双矢量定姿的对准原理

3．3．2 基于重力视运动与双矢量定姿对准方法的仿真与分析

3．3．3 重力视运动重构模型与方法

3．3．4 仿真与分析

3．4 基于重力视运动与三矢量定姿SINS对准方法

3．4．1 基于重力视运动与三矢量定姿的对准原理

3．4．2 基于重力视运动与三矢量定姿对准方法的仿真与分析

3．4．3 两种方法的重构仿真比较

3．4．4 重力视运动重构后的仿真分析

3．5 本章小结

第四章 动基座条件下基于矢量计算的SINS对准方法

4．1 引言

4．2 运动基座条件下姿态确定方法理论分析

4．3 Wahba姿态确定问题求解

4．4 SINS对准仿真分析

4．5 本章小结

第五章 动基座对准过程中仪表误差及杆臂参数的辨识方法

5．1 引言

5．2 陀螺仪、加速度计和杆臂

5．2．1 陀螺仪和加速度计

5．2．2 陀螺仪与加速度计误差模型

5．2．3 秆臂

5．3 运动基座条件下惯性系对准的数学模型构建

5．4 牛顿-拉格朗日迭代法在惯性系对准中的应用

5．5 不同运动状态下惯性系对准方法的仿真结果与分析

5．5．1 纯晃动条件的仿真结果

5．5．2 纯线运动条件的仿真结果

5．5．3 自由运动条件的仿真结果

5．5．4 仿真分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文