捷联惯导系统四元数导航滤波算法研究
本文选题:捷联惯性导航 切入点:四元数 出处:《郑州轻工业学院》2017年硕士论文
【摘要】:捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)是一种具有高精度、强可靠性的数学平台惯导系统,能够为运载体提供高精度的运动参数信息,而不依赖于任何外部信息,被广泛应用于航空、航天、航海、导弹等诸多领域。由于惯导系统的强非线性和不确定性等因素的存在,如何提高捷联惯性导航系统的导航精度成为国内外研究的热点问题。本文从提高导航系统精度的角度出发,结合四元数模型、高阶矩匹配、Gaussian过程建模和Stirling插值方法,针对捷联惯导系统的姿态误差模型及非线性滤波算法进行了深入系统的研究。针对四元数模型在导航解算中存在的局限性,利用对偶四元数能够将刚体的平移和转动统一描述的特性,构建了对偶四元数姿态转换模型和乘性对偶四元数误差方程。通过飞行器的姿态估计仿真验证,表明该算法在处理带有乘性误差量的姿态估计系统中的有效性。针对导航系统模型的强非线性和统计特性传递偏差的问题,利用高阶矩匹配方法精确匹配系统状态参数的预测采样点集及其权值概率分布平均偏态和峰值,提出了高阶矩匹配无迹Kalman滤波算法(High order Moment Matching Unscented Kalman Filter,HoMM-UKF),通过舰载SINS四元数姿态估计仿真验证,可知该方法具有较高的精度和数值稳定性;接着,针对组合导航系统的非线性计算复杂性的问题,利用Gaussian过程建模方法,构建Gaussian过程非参数化模型,提出了基于Gaussian过程容积Kalman滤波算法(Gaussian Process Cubature Kalman filter,GPs-CKF)和增强型GPs-CKF算法,并对其进行仿真验证,相对于传统CKF算法,增强型GPs-CKF算法和GPs-CKF算法计算效率具有明显优势。针对Krein空间中的扩展Kalman滤波算法(Extended Kalman Filter,EKF)的线性化面临的Jacobin矩阵计算问题,结合Stirling中心插值方法,提出了基于Stirling插值逼近的Krein空间EKF算法。通过速度匹配算法建立舰载体捷联惯性导航系统的传递对准模型,以主子惯导系统的速度误差量和姿态误差量作为观测数据,利用所提出的算法进行导航滤波,实现了该惯导系统传递对准的快速高精度估计。
[Abstract]:Strapdown Inertial Navigation system sins (Strapdown Inertial Navigation system sins) is a mathematical platform inertial navigation system with high accuracy and high reliability. It can provide high precision motion parameter information for the carrier without relying on any external information, so it is widely used in aviation. Space, navigation, missile and many other fields. Because of the strong nonlinearity and uncertainty of inertial navigation system, How to improve the navigation accuracy of strapdown inertial navigation system has become a hot issue at home and abroad. From the point of view of improving the accuracy of navigation system, this paper combines quaternion model, high-order moment matching Gaussian process modeling and Stirling interpolation method. The attitude error model and nonlinear filtering algorithm of strapdown inertial navigation system are studied systematically. The dual quaternion attitude conversion model and multiplicative dual quaternion error equation are constructed by using the characteristics of dual quaternion which can uniformly describe the translation and rotation of rigid body. The results show that the algorithm is effective in attitude estimation system with multiplicative error. The method of high-order moment matching is used to accurately match the average skew and peak value of the predicted sampling point set and its weight probability distribution for the state parameters of the system. A high order moment matching unscented Kalman filter algorithm is proposed. The simulation results of attitude estimation of shipborne SINS quaternion show that this method has high accuracy and numerical stability. Aiming at the complexity of nonlinear computation of integrated navigation system, the nonparametric model of Gaussian process is constructed by using Gaussian process modeling method. A Kalman filtering algorithm based on Gaussian process volume is proposed, which is Gaussian Process Cubature Kalman filter GPs-CKF) and an enhanced GPs-CKF algorithm. Compared with the traditional CKF algorithm, the enhanced GPs-CKF algorithm and the GPs-CKF algorithm have obvious advantages in computational efficiency. Aiming at the problem of Jacobin matrix calculation for the linearization of extended Kalman filter algorithm in Krein space, this paper proposes a new method to solve the problem. Combined with Stirling center interpolation method, a Krein space EKF algorithm based on Stirling interpolation approximation is proposed. The transfer alignment model of strapdown inertial navigation system for ship carrier is established by velocity matching algorithm. The velocity error and attitude error of the master subsystem are taken as the observation data, and the proposed algorithm is used for navigation filtering to realize the fast and high accuracy estimation of the transfer alignment of the inertial navigation system.
【学位授予单位】:郑州轻工业学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN96
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本文编号:1696974
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