水下航行器组合导航系统关键技术的研究

摘要

本文根据自主水下航行器的工作特点与导航需求，设计了以捷联式惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)为主，多普勒测速仪(Doppler Velocity Logger，DVL)，电子磁罗盘(Magnetic Compass，MCP)和深度计（Depth Meter，DM）为辅的水下组合导航系统。论文就水下组合导航系统的关键技术展开研究，主要的工作有:
　　1.详细介绍了、分析了捷联式惯性导航系统，多普勒测速仪，电子磁罗盘、深度计的工作原理和误差机理，并建立了各传感器误差模型。
　　2.研究了航位推算(Dead Reckoning，DR)算法的原理，设计并仿真验证了一种利用DR算法实现SINS与DVL之间安装误差标定的方法。
　　3.设计了一种DVL安装误差与刻度系数误差的补偿方法。该方法以DVL仪器坐标系速度和SINS载体坐标系速度之差为量测，通过设计合理的机动方式来提高SINS/DVL系统的可观测性，并利用卡尔曼滤波器估计出DVL误差参数，最后根据估计值进行了补偿。仿真验证了该方法能有效估计出DVL安装误差和刻度系数误差，降低了DVL测速误差，从而提高了SINS/DVL组合系统的导航精度。
　　4.研究了联邦滤波器的原理和结构，鉴于系统容错性和实时性考虑，设计了水下组合导航系统滤波器和相应的滤波算法，建立了各子滤波器的数学模型，并仿真验证了滤波算法的可行性。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 水下导航技术及发展状况

1．2．1 惯性导航

1．2．2 声学导航

1．2．3 多普勒导航

1．2．4 地球物理导航

1．2．5 组合导航

1．3 多普勒测速仪误差标定方法的研究现状

1．4 卡尔曼滤波方法的发展及其应用

1．5 本文研究内容与论文结构安排

1．6 本章小结

第二章 水下航行器组合导航系统方案设计

2．1 引言

2．2 水下航行器组合导航方案设计

2．3 捷联式惯性导航系统

2．3．1 常用坐标系及坐标系转换

2．3．2 捷联式惯性导航系统的基本原理

2．3．3 导航参数的更新及解算

2．3．4 惯性器件误差模型

2．3．5 捷联式惯性导航系统误差方程

2．4 多普勒测速仪

2．4．1 多普勒测速仪测速原理

2．4．2 多普勒测速仪误差分析

2．4．3 多普勒测速仪误差模型

2．5 电子磁罗盘和深度计

2．5．1 电子磁罗盘工作原理

2．5．2 电子磁罗盘误差分析

2．5．3 深度计工作原理及误差模型

2．6 本章小结

第三章 组合系统滤波方法研究

3．1 引言

3．2 卡尔曼滤波

3．3 联邦滤波

3．4．1 联邦滤波算法原理

3．4．2 联邦滤波器结构

3．4 组合导航卡尔曼滤波校正方法

3．4．1 输出校正

3．4．2 反馈校正

3．4．3 混合校正

3．5 本章小结

第四章 多普勒测速仪的误差补偿研究

4．1 引言

4．2 惯性／多普勒安装误差标定

4．2．1 航位推算算法

4．2．2 惯性／多普勒安装误差标定

4．2．3 仿真实验

4．3 多普勒测速仪误差参数的在线估计

4．3．1 惯性／多普勒组合导航系统模型

4．3．2 PWCS可观测性分析方法

4．3．3 一种新可观测性分析方法

4．3．4 惯性／多普勒组合导航系统可观测性分析

4．3．5 惯性／多普勒组合导航系统仿真分析

4．4 本章小结

第五章 水下组合导航系统联邦滤波器的设计

5．1 引言

5．2 水下组合导航系统联邦滤波器结构

5．3 水下组合导航系统联邦滤波器设计

5．3．1 SINS／DVL子滤波器

5．3．2 SINS／MCP子滤波器

5．3．3 SINS／DM子滤波器

5．4 水下组合导航系统联邦滤波器算法

5．4．1 子滤波器算法

5．4．2 主滤波器算法

5．5 仿真实例

5．5．1 仿真条件

5．5．2 仿真结果

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的项目与取得科研成果