水下航行器组合导航系统容错方法研究

摘要

导航精度和可靠性是衡量现代导航系统优劣的最重要指标。本文以水下航行器的组合导航系统为研究对象，以捷联惯导系统作为组合导航系统的公共参考系统，多普勒测速仪、GPS导航系统、磁航向仪和深度计为辅助导航设备，对水下航行器组合导航系统的容错方法进行了研究。主要工作和成果包括： 1．基于联邦滤波的水下航行器组合导航系统设计。针对水下导航的特点，设计了基于联邦滤波的水下组合导航系统，通过数字仿真分析了其滤波性能，并与已知是最优滤波的集中滤波的滤波效果进行了比较；在航行器处于水面时，将GPS信号引入组合系统，增加了SINS/GPS子滤波器到联邦滤波中，仿真结果表明，此举能很好地抑制捷联惯导的位置发散，大大地提高了组合导航系统的定位精度。 2．系统级故障检测和诊断方法的研究。对联邦滤波的每个子滤波器设计一个故障检测模块，采用状态x<'2>检验法和残差x<'2>检验法对子系统进行实时检测，分析了两种检验法对不同故障类型的检测效果和系统的容错性能；研究了量测可能存在野值情况下的故障检测与诊断，通过引入野值剔除法，设计了一种基于固定诊断周期的故障诊断方案，有效地避免了野值而造成的系统误警。 3．针对系统噪声和量测噪声统计特性不明确的情况，利用反向传播(BP)算法能很好地逼近系统非线性特征和强大的学习能力，设计了基于神经网络的SINS/GPS组合导航系统，仿真结果表明当具备较高精度的训练样本数据和足够的学习时间时，此方法是可行的；同时给出了基于神经网络的组合导航系统信息融合结构。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1概述

1.1.1组合导航系统概况

1.1.2研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的研究内容及结构安排

第二章组合导航系统构成

2.1导航系统坐标系的选取与转换

2.1.1导航系统中常用的坐标系

2.1.2坐标变换

2.2捷联惯导系统

2.2.1基本工作原理

2.2.2捷联惯导误差源模型

2.2.3捷联惯导的误差方程

2.3 GPS导航系统

2.3.1 GPS系统结构

2.3.2 GPS的误差模型

2.4多普勒测速仪

2.4.1多普勒测速原理

2.4.2多普勒误差方程

2.5磁航向仪

2.6深度计

2.7导航系统组合模式

2.8本章小结

第三章容错组合导航系统设计

3.1联邦滤波基本理论

3.1.1系统描述

3.1.2集中式卡尔曼滤波器结构

3.1.3联邦滤波器结构和算法原理

3.2组合导航系统设计

3.2.1 SINS/DVS组合系统

3.2.2 SINS/磁航向仪组合系统

3.2.3 SINS/深度计组合系统

3.2.4 SINS/GPS组合系统

3.2.5滤波器的实现

3.3滤波性能仿真

3.3.1信息分配与信息同步处理

3.3.2仿真分析

3.4本章小结

第四章系统级故障检测

4.1基于x2检验法的故障检测方法

4.1.1状态x2检验法

4.1.2残差x2检验法

4.1.3组合导航系统的故障检测

4.2野值存在情况下的故障诊断方法

4.2.1野值剔除方法

4.2.2故障诊断方法

4.2.3故障诊断仿真分析

4.3本章小结

第五章神经网络在组合导航系统中的应用

5.1神经网络概述

5.1.1神经元模型

5.1.2神经网络的互连方式

5.2基于BP网络的组合导航系统设计

5.2.1 BP网络算法

5.2.2 BP网络在组合导航中的应用

5.2.3 BP网络算法仿真

5.3基于神经网络的组合导航信息融合方案

5.3.1信息融合技术

5.3.2神经网络信息融合结构

5.4本章小结

第六章全文总结

6.1论文工作总结

6.2研究展望

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文

致谢