组合导航技术研究及船载天线稳定系统设计
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摘要
本文对捷联惯性导航(SINS)系统和全球定位导航系统(GPS)进行了认真地分析，对SINS／GPS组合导航技术进行了深入的研究。针对组合导航中的滤波技术，本文对多种组合导航滤波算法进行了认真地分析和比较，在工程实现的背景下，深入研究了位置、速度组合的卡尔曼滤波算法并进行了实物仿真，仿真结果说明了采用该算法具有较高的精度和较好的实时性能，基本满足普通运动体的导航需求。此外，本文还成功地设计了一套用于海上卫星通信的船载天线稳定跟踪系统，详细介绍了其硬件设计思想和调试过程。
Based on earnest analyzing the the Strap-down Inertial Navigation System (SINS) and the Global Positioning System (GPS), This paper study the SINS/GPS Integrated Navigation System. Aim at the filter technology in the SINS/GPS Integrated Navigation System, this paper compare with several fliter arithmetic and put forward a Situation-Velocity Integrated Kalman Filer Arithmetic. In addition, this paper succeeful design a Ship-borne Antenna Stabilized System, introduce the hardware design and debug process.
Based on earnest analyzing the the Strap-down Inertial Navigation System (SINS) and the Global Positioning System (GPS), This paper study the SINS/GPS Integrated Navigation System. Aim at the filter technology in the SINS/GPS Integrated Navigation System, this paper compare with several fliter arithmetic and put forward a Situation-Velocity Integrated Kalman Filer Arithmetic. In addition, this paper succeeful design a Ship-borne Antenna Stabilized System, introduce the hardware design and debug process.
引文
1 袁信．导航系统．北京：航空工业出版社，1993．12
2 以光衙．惯性导航原理．北京：航空工业出版社，1987．12
3 陈哲．捷联惯导系统原理．北京：宇航出版社，1986
4 胡大可．MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，2001
5 赵会平．移动接收卫星电视的天线自动跟踪系统．广播与电视技术，Vol．7 2002
6 王荀．捷联航姿参考系统．南京航空航天大学硕士学位论文，1993
7 张秉华．机载视轴稳定跟踪伺服系统．嘉兴高等专科学校学报，Vol．13，No．4 2000．12
8 严武升，刘宏，过润秋．基于前馈补偿的船载雷达三轴稳定跟踪的研究．西安电子科技大学学报，Vol．25，No．5 1998．10
9 严武升，刘宏．船载雷达三轴稳定跟踪的研究．西安电子科技大学
10 汤薇烨．南京理工大学硕士学位论文，2001
11 赵林．南京理工大学硕士学位论文，2002
12 袁磊峰．南京理工大学硕士学位论文，2003
13 张朝霞，凌明祥，张树侠．捷联惯导系统姿态算法的研究．中国惯性技术学报，1999．3
14 王养柱，崔中兴．捷联惯导系统圆锥补偿算法优化设计．中国惯性技术学报，2000．3
15 赵忠，马戎，栗瑞江，李勇建，侯正君，吕志清．一种超低成本捷联惯性制导系统的研制．弹箭与制导学报 2000(2)：11-15
16 许刚，陆凯．船用捷联惯导系统的姿态算法研究．中国惯性技术学报，1997．15
17 华宇清．捷联姿态算法比较及研究．航天控制，1995．10
18 刘恒春．一种高精度捷联姿态算法．中国惯性技术学报，1996．1-5
19 刘巧光等．捷联惯性导航系统的姿态算法优化设计．中国惯性技术学报，1999．6
20 何秀凤，刘建业，袁信．GPS／INS组合导航系统降阶滤波器设计．宇航学报，1997．7
21 刘勇，李泽莉，吕志清．CS6A-60型压电陀螺动态校零研究．压电与声光，2000．10 第22卷．第5期
22 夏启军，孙优贤．减消卡尔曼滤波器的最佳自适应算法及其应用．自动化学报，1990．5
23 孙金槐．关于自适应滤波技术的一些思考．国防科技大学学报，1994．9
24 房建成，申功勋．车载GPS／DR／地图匹配组合导航系统的自适应联合卡尔曼滤波模型．控制与决策，1999．9
25 杜鹏，傅梦印，张鸿业，王美铃．GPS定位误差分析与建模．北京理工大学学报．第18卷．第4期
26 王富嘉，陈哲．INS／GPS／TAN系统中的联邦卡尔曼滤波信息融合方法．航空学报．1998．10 第19卷．第7期
27 刘基余．全球定位系统原理及应用．测绘出版社，1993．11
28 贾沂．GPS误差分析与模型建立之探讨．导航，1994
29 顺田信英．自动控制中的矩阵理论．科学出版社，1979
30 刘连印，冀保伟．工程上实现闭环反馈校正GPS／SINS组合导航系统研究．导航，1995．第3期
31 颜东，赵国良．未知噪声统计值情况下卡尔曼滤波设计方案及其应用．导航，1994．第1期
32 黄伟．采用卡尔曼滤波器的GPS／INS组合系统模拟仿真．导航，1994．第6期．
33 杨保民．现代控制理论．南京理工大学，1995
34 谭浩强．C程序设计，清华大学出版社，1991
35 徐金梧，杨德斌，徐科．TURBO C实用大全．机械工业出版社，1996
36 薛定宇．控制系统计算机辅助设计_MATLAB语言及应用．清华大学出版社，1996
37 张汉国，张洪钺．阻止自适应卡尔曼滤波发散的补救办法．控制与决策，1991．1
38 蔡洪．噪声设计系统的Bayes极大验后估计与系统自适应滤波．国防科技大学学报，1997．1
39 韩曾晋．自适应控制．清华大学出版社，1995
40 姜复兴，庞志成．惯导测试设备原理与设计．哈尔冰工业大学出版社，1998
41 赵瑞，固启泰．非线性滤波及其在组合导航系统中的应用． 清华大学，1999年
42 黄晓瑞，崔平远，崔诂涛．GPS／SINS组合导航系统自适应滤波算法与仿真研究 哈尔滨工业大学，2001年
43 王利存，无简彤，凌明祥，张树侠．基于神经计算的GPS／SINS组合导航滤波器设计．哈尔滨工业大学，1998年
44 陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社，1991
45 陈云龙．机电控制元件．南京：南京理工大学，1993
46 以光衢．陀螺理论及应用．北京航空航天大学出版社
47 戴伏生．基础电子电路设计与实践 北京：国防工业出版社，2002
48 Bortz, J.E, A New Mathematical Formulation for Strap-down Interial Navigation. IEEE Transactions on Aerospace and Electronics systems. January, 1971. 61-67
49 Robin B. Miler, A New Strap-down Attitude Algorithm, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, NO. 6,1981,287-291
50 Savage, P.G, Strap-down system Algorithms, AD-P00362, April, 1984
51 M.B. Ignani, Efficient Class of Optimized Coning Compensation Algorithma, Joural of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, NO. 2, March_April, 1996
52 Jiang, Y. Fetal. Improved strap-down Coning Algorithms, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 2 , 1992,484-489
53 Wilcox, J.C, A New Algorithms for Strap-down Intertial Navigation, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 5 , 1967,796-802
54 Malcolm D. Shuster, The Kinematic Equations for The Rotation Vector, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 1 , 1993, 264-267
55 Jiang G L , Yong J ,et al. ,Extension of strap-down attitude algorithm for high-frequency base motion. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 1990,13 (4)
56 Gusinsky V Z , Lesyuchevsky V M, Litmanovich Y A, Musoff H, Schimidt G T. A New Procedure for Deriving Optimized Strap-down Attitude Algorithms. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1997, 20(4), 673-680
57 Texas Instruments, MSP430x14x MIXED SIGNAL MICRO CONTROLLER 2000
58 Honeywell, HMR3000 Digital Compass Module User' s Guide
2 以光衙．惯性导航原理．北京：航空工业出版社，1987．12
3 陈哲．捷联惯导系统原理．北京：宇航出版社，1986
4 胡大可．MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，2001
5 赵会平．移动接收卫星电视的天线自动跟踪系统．广播与电视技术，Vol．7 2002
6 王荀．捷联航姿参考系统．南京航空航天大学硕士学位论文，1993
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8 严武升，刘宏，过润秋．基于前馈补偿的船载雷达三轴稳定跟踪的研究．西安电子科技大学学报，Vol．25，No．5 1998．10
9 严武升，刘宏．船载雷达三轴稳定跟踪的研究．西安电子科技大学
10 汤薇烨．南京理工大学硕士学位论文，2001
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12 袁磊峰．南京理工大学硕士学位论文，2003
13 张朝霞，凌明祥，张树侠．捷联惯导系统姿态算法的研究．中国惯性技术学报，1999．3
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17 华宇清．捷联姿态算法比较及研究．航天控制，1995．10
18 刘恒春．一种高精度捷联姿态算法．中国惯性技术学报，1996．1-5
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20 何秀凤，刘建业，袁信．GPS／INS组合导航系统降阶滤波器设计．宇航学报，1997．7
21 刘勇，李泽莉，吕志清．CS6A-60型压电陀螺动态校零研究．压电与声光，2000．10 第22卷．第5期
22 夏启军，孙优贤．减消卡尔曼滤波器的最佳自适应算法及其应用．自动化学报，1990．5
23 孙金槐．关于自适应滤波技术的一些思考．国防科技大学学报，1994．9
24 房建成，申功勋．车载GPS／DR／地图匹配组合导航系统的自适应联合卡尔曼滤波模型．控制与决策，1999．9
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26 王富嘉，陈哲．INS／GPS／TAN系统中的联邦卡尔曼滤波信息融合方法．航空学报．1998．10 第19卷．第7期
27 刘基余．全球定位系统原理及应用．测绘出版社，1993．11
28 贾沂．GPS误差分析与模型建立之探讨．导航，1994
29 顺田信英．自动控制中的矩阵理论．科学出版社，1979
30 刘连印，冀保伟．工程上实现闭环反馈校正GPS／SINS组合导航系统研究．导航，1995．第3期
31 颜东，赵国良．未知噪声统计值情况下卡尔曼滤波设计方案及其应用．导航，1994．第1期
32 黄伟．采用卡尔曼滤波器的GPS／INS组合系统模拟仿真．导航，1994．第6期．
33 杨保民．现代控制理论．南京理工大学，1995
34 谭浩强．C程序设计，清华大学出版社，1991
35 徐金梧，杨德斌，徐科．TURBO C实用大全．机械工业出版社，1996
36 薛定宇．控制系统计算机辅助设计_MATLAB语言及应用．清华大学出版社，1996
37 张汉国，张洪钺．阻止自适应卡尔曼滤波发散的补救办法．控制与决策，1991．1
38 蔡洪．噪声设计系统的Bayes极大验后估计与系统自适应滤波．国防科技大学学报，1997．1
39 韩曾晋．自适应控制．清华大学出版社，1995
40 姜复兴，庞志成．惯导测试设备原理与设计．哈尔冰工业大学出版社，1998
41 赵瑞，固启泰．非线性滤波及其在组合导航系统中的应用． 清华大学，1999年
42 黄晓瑞，崔平远，崔诂涛．GPS／SINS组合导航系统自适应滤波算法与仿真研究 哈尔滨工业大学，2001年
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44 陈伯时 电力拖动自动控制系统 机械工业出版社，1991
45 陈云龙．机电控制元件．南京：南京理工大学，1993
46 以光衢．陀螺理论及应用．北京航空航天大学出版社
47 戴伏生．基础电子电路设计与实践 北京：国防工业出版社，2002
48 Bortz, J.E, A New Mathematical Formulation for Strap-down Interial Navigation. IEEE Transactions on Aerospace and Electronics systems. January, 1971. 61-67
49 Robin B. Miler, A New Strap-down Attitude Algorithm, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, NO. 6,1981,287-291
50 Savage, P.G, Strap-down system Algorithms, AD-P00362, April, 1984
51 M.B. Ignani, Efficient Class of Optimized Coning Compensation Algorithma, Joural of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 19, NO. 2, March_April, 1996
52 Jiang, Y. Fetal. Improved strap-down Coning Algorithms, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 2 , 1992,484-489
53 Wilcox, J.C, A New Algorithms for Strap-down Intertial Navigation, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 5 , 1967,796-802
54 Malcolm D. Shuster, The Kinematic Equations for The Rotation Vector, IEEE Transaction on Aerospace on Electronics system, NO. 1 , 1993, 264-267
55 Jiang G L , Yong J ,et al. ,Extension of strap-down attitude algorithm for high-frequency base motion. Journal of Guidance, Control and Dynamics, 1990,13 (4)
56 Gusinsky V Z , Lesyuchevsky V M, Litmanovich Y A, Musoff H, Schimidt G T. A New Procedure for Deriving Optimized Strap-down Attitude Algorithms. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1997, 20(4), 673-680
57 Texas Instruments, MSP430x14x MIXED SIGNAL MICRO CONTROLLER 2000
58 Honeywell, HMR3000 Digital Compass Module User' s Guide