COMPASS/INS/TAN组合导航系统的研究

摘要

在现代空地一体化战争体系中，任何单一的导航系统往往难以满足各类军用飞行器的导航要求，因此组合导航系统应运而生。在真实的战场环境下，为掌握战场主动权，需要飞行器对敌实施低空或超低空突袭，而这就要穿越复杂的电磁对抗区域并巧妙的利用战场地形来实现。针对我军使用GPS的非自主性，本文的卫星导航系统选取了我国自主研发的北斗卫星导航系统(COMPASS)。基于这种背景，本文提出了北斗/惯导/地形匹配(COMPASS/INS/TAN)组合导航系统作为研究课题。论文的主要研究内容如下:
　　首先，系统阐述了卫星导航系统、惯性导航系统与地形辅助导航系统的发展及各自的特点，以及组合导航系统的研究现状与未来发展趋势。介绍了卡尔曼滤波的发展及研究现状，分析了扩展卡尔曼滤波(EKF)与无迹卡尔曼滤波(UKF)算法在处理非线性系统模型时的特点。EKF方法需对模型线性化来实现，而UKF方法不需线性化。为下文研究组合导航系统中进行导航参数误差状态的处理提供了理论基础。
　　其次，分析了COMPASS的定位原理，对COMPASS/INS组合导航系统采用伪距与伪距率紧组合的方式来建立系统连续的非线性数学模型。针对模型中量测方程的非线性，通过线性化并对量测方程进行离散化处理，并采用EKF的方法来处理导航参数;用扩展对称采样策略确定具有状态量统计特性的Sigma采样点集，并将其近似非线性函数的概率密度，采用UKF方法来对系统导航参数进行滤波处理。通过对两种方法仿真对比表明UKF比EKF的导航定位精度更高。对INS/TAN组合导航系统采用桑迪亚算法建立非线性数学模型，用EKF设计的组合导航滤波器能够改善系统的导航精度。
　　再次，研究证明了联邦滤波全局状态估计与方差是最优的，并针对联邦滤波思想提出了COMPASS/INS/TAN组合导航系统的应用方案，设计了基于UKF的联邦滤波器，将两个子系统输出的局部状态与方差进行全局最优估计后，进行仿真分析。将主滤波器输出的全局状态估计三维位置、速度误差与两个子滤波器输出的估计位置、速度误差进行对比，表明本文设计联邦滤波方案能够有效提高系统的导航精度与可靠性。
　　最后，对本文所做的工作进行了总结，并指出有待进一步研究的方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 卫星导航系统

1．3 地形辅助惯性导航系统

1．4 组合导航技术的发展与研究现状

1．5 本文的主要工作及内容

第2章 组合导航系统的先进滤波算法

2．1 引言

2．2 线性系统的卡尔曼滤波

2．3 扩展卡尔曼滤波

2．3．1 随机非线性系统的数学描述

2．3．2 围绕一步预测的线性化滤波

2．4 无迹卡尔曼滤波

2．4．1 均值与协方差的非线性变换

2．4．2 UT变换

2．4．3 UKF算法的流程

2．5 本章小节

第3章 COMPASS／INS和INS／TAN组合导航系统的研究

3．1 常用坐标系及变换

3．1．1 导航中常用的坐标系

3．1．2 坐标系之间的变换

3．2 COMPASS的定位原理分析

3．2．1 COMPASS定位基本原理

3．2．2 COMPASS的误差分析

3．3 COMPASS／INS组合导航系统设计分析

3．3．1 COMPASS／INS组合系统的数学模型

3．3．2 基于EKF的COMPASS／INS组合滤波器设计

3．3．3 基于UKF的COMPASS／INS组合滤波器设计

3．3．4 COMPASS／INS组合导航系统的仿真分析

3．4 INS／TAN组合导航系统的设计与分析

3．4．1 INS／TAN组合导航系统的数学模型

3．4．2 INS／TAN组合导航系统的滤波器设计

3．4．3 INS／TAN组合导航系统的仿真分析

3．5 本章小结

第4章 COMPASS／INS／TAN组合导航系统的联邦滤波方案设计

4．1 联邦滤波技术

4．1．1 联邦滤波器的结构

4．1．2 联邦滤波的最优性证明

4．2 COMPASS／INS／TAN组合导航系统的联邦滤波设计与分析

4．2．1 组合导航系统的联邦滤波器设计

4．2．2 联邦滤波融合算法实现

4．2．3 组合导航系统的仿真分析

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢