高精度捷联惯性系统误差分析和仿真验证

发布时间：2017-04-05 19:15

  本文关键词：高精度捷联惯性系统误差分析和仿真验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术与社会经济的蓬勃发展,导航定位技术在各个领域被广泛应用。捷联惯性技术(Strapdown Inertial Navigation)凭借结构简单、短时精度高、完全自主等优势,成为现代导航技术中不可或缺的一部分。为了增强捷联惯性系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)在复杂环境下的性能、进一步提升其长期稳定性,对SINS进行全面的误差分析必不可少。本文针对SINS的圆锥误差、器件误差、非线性误差模型等问题进行讨论,旨在为SINS误差分析与实验仿真提供理论基础。SINS用“数字平台”取代机械平台,其姿态解算精度是保证系统精度最为重要的一环,然而在圆锥运动、短时大机动等复杂运动中,姿态解算算法固有的“不可交换误差”会使“数学平台”发生偏移,严重影响系统精度。“N+p”子样算法是一种基于频域泰勒展开的圆锥补偿算法,该算法利用之前姿态更新周期与本周期的陀螺仪采样进行圆锥补偿。通过仿真实验我们发现,当子样数超过四子样时,“N+p”算法的性能已经不能提高,甚至有所下降,这与该算法的预计不符。同时“N+p”算法在推导过程中并未考虑周期分量对圆锥误差的影响,算法仍存在改进的余地。本文针对“N+p”子样圆锥优化算法,深入研究了该算法的圆锥误差补偿精度,给出新的“极限精度”表达式代替原有残差估计公式。更进一步,为了突破“N+p”算法的极限精度,本文对圆锥误差的周期分量进行了研究,以“N+p”算法为基础,提出了一种基于圆锥周期分量补偿的改进“N+p”算法。实验表明：对于中低频段(20Hz以下)的圆锥振动,使用改进“N+p”算法能明显提高圆锥补偿精度。SINS系统的误差源可以归结为三类：传感器量测误差、空间不对准、时间不同步。在中低精度的工程应用中,量测误差造成的精度损失往往远大于其他误差,但是在高精度应用领域,空间不对准与时间不同步造成的误差却不可忽视,在振动、大机动等复杂环境下,它们引起的误差甚至超过了量测误差。本文从SINS误差源的分类入手,对位置杆臂与“尺寸效应”在不同机动状态下的传播特性进行了研究；对振动环境下,抖动偏频激光陀螺整周期采样误差进行了分析与仿真验证；对加表整体延迟误差进行了详细分析；最后本文进行了仿真实验,针对量测误差、不正交误差、位置杆臂、“尺寸效应”等误差源及其耦合作用对系统误差的影响进行了研究。传统SINS误差方程以导航微分方程为基础,通过泰勒展开等方法,忽略方程中一阶以上的误差项,得到近似的一阶线性方程,在方程中误差耦合项被省略,导航误差表现为简单的线性叠加。在高频振动、大机动、瞬时冲击等复杂环境下,这种一阶误差方程往往难以准确描述系统的误差传播特性。本文从导航微分方程入手,研究并建立了SINS非线性误差方程,并结合UKF滤波算法,给出了一种二阶精度的组合系统误差分析方法。在工程应用与理论研究中,进行数字仿真是必不可少的环节。本文在介绍WinForns、GDI+、三维可视化等软件开发方法的基础上,结合轨迹反演算法与SINS算法设计了SINS仿真平台,为后续的研究工作提供了坚实的基础。
【关键词】：圆锥优化 周期分量优化 空间不对准 时间不对准 非线性误差模型 数字仿真
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究背景、目的与意义11-12
• 1.2 相关领域的研究概述12-13
• 1.2.1 捷联惯性导航简介12
• 1.2.2 圆锥优化算法简介12-13
• 1.2.3 捷联系统误差分析简介13
• 1.3 论文的主要内容13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 第二章 捷联惯性系统基本原理与算法编排15-29
• 2.1 引言15
• 2.2 坐标系与坐标变换15-19
• 2.2.1 坐标系定义15-16
• 2.2.2 坐标系之间的转换16-19
• 2.3 捷联惯性系统算法编排19-28
• 2.3.1 捷联惯性算法微分方程组19-20
• 2.3.2 姿态解算20-23
• 2.3.3 速度解算23-25
• 2.3.4 位置解算25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 圆锥优化算法及其精度分析29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 圆锥运动29-32
• 3.2.1 经典圆锥运动29-30
• 3.2.2 姿态解算中的不可交换误差30-31
• 3.2.3 圆锥误差数学表达31-32
• 3.3 “N+p”子样圆锥优化算法32-34
• 3.4 “N+p”子样算法的精度分析34-37
• 3.5 基于周期分量补偿的改进“N+p”子样算法37-41
• 3.5.1 周期分量对圆锥误差的影响38-39
• 3.5.2 考虑周期分量的补偿结构39-40
• 3.5.3 考虑周期分量的优化系数求解40-41
• 3.6 仿真验证41-45
• 3.7 本章小结45-47
• 第四章 捷联惯性系统误差分析47-61
• 4.1 引言47
• 4.2 SINS系统的误差源47
• 4.3 量测误差47-48
• 4.3.1 光学陀螺仪量测误差47-48
• 4.3.2 加速度计量测误差48
• 4.4 安装误差与刻度系数误差48-49
• 4.4.1 安装误差48-49
• 4.4.2 刻度系数误差49
• 4.5 杆臂效应49-53
• 4.5.1 杆臂效应的产生机理49-51
• 4.5.2 角机动环境下杆臂误差的传播特性51-53
• 4.5.3 杆臂误差的数学模型53
• 4.6 时钟不对准误差53-57
• 4.6.1 抖动偏频陀螺整周期采样54-56
• 4.6.2 加速度计延迟56-57
• 4.7 仿真验证57-60
• 4.7.1 SINS多源误差分析57-58
• 4.7.2 SINS多源耦合误差分析58-60
• 4.8 本章小结60-61
• 第五章 SINS的误差模型和参数估计61-71
• 5.1 引言61
• 5.2 非线性姿态误差方程61-63
• 5.3 非线性速度、位置误差方程63-65
• 5.3.1 非线性速度误差方程63-64
• 5.3.2 非线性位置误差方程64-65
• 5.4 无迹卡尔曼滤波65-67
• 5.4.1 UT变换65-66
• 5.4.2 UKF算法66-67
• 5.5 仿真验证67-70
• 5.6 本章小结70-71
• 第六章 捷联惯性仿真平台设计71-81
• 6.1 引言71
• 6.2 仿真平台总体设计方案71-73
• 6.2.1 仿真系统的模块划分71-72
• 6.2.2 仿真平台的需求分析72-73
• 6.3 轨迹反演算法73-76
• 6.3.1 航迹微分方程组73-74
• 6.3.2 机动状态74-75
• 6.3.3 Bezier曲线75-76
• 6.4 用户界面与可视化76-79
• 6.4.1 WinForm GUI设计76-78
• 6.4.2 Flight Gear模块78-79
• 6.5 本章小结79-81
• 第七章 总结与展望81-83
• 7.1 总结81-82
• 7.2 展望82-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-91
• 攻读硕士期间取得的科研成果91

【参考文献】

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