SINS/GPS组合导航系统新算法的研究与实现

摘要

组合导航对各种导航子系统的导航信息进行综合处理,取长补短、充分发挥各导航子系统的优点,提高了系统整体性能,因而成为导航系统的主要解决方案。但是目前地面组合导航系统普遍存在自主性不足、容错性不高、过度依赖卫星等缺点。另外在实际应用中往往需求导航系统在动态环境中对准与导航同步完成,达到快速启动目的。但由于捷联惯导系统初始启动时存在较大的非线性特性、外界复杂环境造成的较大干扰、噪声模型不确定等原因,使用常规滤波方法如卡尔曼滤波往往无法达到目的。本文针对以上问题,主要做了如下研究工作： 首先,在分析捷联惯导(SINS)原理及SINS、GPS、里程仪(OD)误差模型基础上,设计了基于联邦滤波算法的SINS/GPS/OD组合导航信息融合系统。对捷联惯导原理及组合导航系统信息融合方法,编写了相关计算机仿真程序,并做了大量的仿真实验。实验结果表明该组合导航系统集合了三种导航设备的优点,具有导航精度高,自主性强和容错性高的优点,当GPS信号长时间丢失条件下,仍能在较长时间内保持较高的定位精度。 然后,分析了适合于非线性非高斯场合的粒子滤波算法原理,在组合导航系统动态快速启动应用背景下,结合SINS/GPS组合导航系统非线性滤波模型,提出了两种改进的粒子滤波方法：1)自调整粒子滤波方法。根据观测噪声的统计大小,自适应调整似然分布的形状,使之与先验分布重叠区域更大。仿真结果表明,该方法能有效解决了高观测精度情况下粒子滤波易发散问题,有效提高滤波稳定性。2)卡尔曼/粒子组合滤波算法。将SINS动态误差模型分为线性和非线性两部分,分别采用卡尔曼和粒子滤波对线性和非线性状态进行估计。仿真结果表明该方法克服了SINS误差模型维数较高带来的维数灾难问题,提高了实时性。改进后的粒子滤波方法能有效提高组合导航系统抗干扰能力、稳定性及实时性,达到快速启动目的。 最后,基于DSP+DUAL-RAM+MCU构架,设计并实现了一套组合导航系统原理样机,划分了组合导航系统的各任务模块及优先级,给出了导航计算机详细的硬件设计方案及系统软件设计流程。采用云海YH-7000光纤IMU及JAVADJNS Gyro-2T GPS接收机,对组合导航系统进行了测试实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景与研究意义

1.2组合导航技术的研究现状

1.2.1独立定位技术的研究概述

1.2.2组合导航技术的研究现状

1.2.3滤波理论的发展与研究现状

1.2.4粒子滤波在导航中的应用现状

1.2.5嵌入式技术在组合导航系统的应用现状

1.3论文的主要工作

1.4论文的结构安排

第二章组合导航系统的误差模型

2.1引言

2.2捷联惯导系统基本原理

2.2.1简述

2.2.2常用坐标系

2.2.3捷联惯导系统基本原理

2.2.4捷联惯导系统的力学编排

2.2.5捷联惯导误差来源及修正方法

2.3捷联惯导误差模型

2.3.1加速度计和陀螺仪的误差模型

2.3.2捷联惯导系统的误差模型

2.4 GPS和里程仪误差模型

2.4.1 GPS误差模型

2.4.2里程仪误差模型

2.5捷联惯导原理计算机仿真

2.5.1程序设计流程

2.5.2陀螺仪及加速度计模拟

2.5.3捷联解算

2.5.4仿真实验及分析

2.6本章小结

第三章基于联邦滤波的组合导航系统建模与仿真

3.1引言

3.2组合导航系统信息融合模型

3.2.1捷联惯导信息融合模型

3.2.2 SINS/GPS位置速度组合信息融合模型

3.2.3 SINS/OD速度组合信息融合模型

3.2.4 SINS/GPS姿态组合信息融合模型

3.3基于联邦滤波的组合导航系统信息融合方法

3.3.1无重置结构的联邦滤波算法

3.3.2信息融合方法

3.4 SINS/GPS/OD组合导航信息融合系统仿真及分析

3.4.1仿真参数设置

3.4.2子滤波器仿真实验及分析

3.4.3系统信息融合仿真实验及分析

3.5本章小结

第四章粒子滤波在组合导航系统中的应用与仿真

4.1引言

4.2粒子滤波原理及其在组合导航系统的应用

4.2.1粒子滤波原理

4.2.2标准粒子滤波算法

4.2.3组合导航粒子滤波应用建模

4.3自调整粒子滤波方法

4.3.1自调整粒子滤波方法的提出

4.3.2改进策略

4.3.3仿真及分析

4.4基于卡尔曼/粒子组合滤波方法的组合导航方法研究

4.4.1卡尔曼/粒子组合滤波方法的提出

4.4.2规则粒子滤波方法(RPF Regularized Particle Filter)

4.4.3 SINS/GPS组合导航卡尔曼/粒子组合滤波模型

4.4.4仿真及分析

4.5本章小结

第五章基于DSP的组合导航系统原理样机

5.1引言

5.2组合导航系统的任务及优先级划分

5.2.1组合导航系统中功能模块及数据流向

5.2.2组合导航系统任务及优先级确定

5.3基于DSP的组合导航计算机

5.3.1概述

5.3.2导航计算机硬件平台

5.3.3软件设计方案

5.4样机测试实验

5.4.1主要设备

5.4.2实验方法及结果

5.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢