捷联惯导算法及车载组合导航系统研究
|
摘要
捷联惯导系统(SINS)的惯性器件(陀螺仪和加速度计)直接固联在载体上，这就给捷联系统的软、硬件设计提出了有别于平台惯导系统的特殊问题。对捷联惯导系统的研究一方面致力于对载体运动信息的精确测量，另一方面致力于求取导航解的精确算法。
本文的主要研究工作如下：
1．针对当前捷联惯导系统中惯性器件的输出大多采用增量形式的数据输出，简要介绍了适合于增量形式数据处理的捷联算法基本理论。基本理论包括四元数和等效旋转矢量算法、圆锥误差及其补偿算法、划船误差产生的机理及其补偿算法、涡卷误差产生的机理及其补偿算法。
2．以东北天坐标系为导航坐标系，假定姿态、速度和位置更新周期相同时，详细推导了捷联惯导的数字迭代算法。仿真结果表明：捷联惯导算法能实现对姿态圆锥误差和速度划船误差的补偿。
3．对捷联惯导系统、里程仪(OD)和全球定位系统(GPS)误差方程进行了分析，建立了以捷联惯导系统为主的用于卡尔曼滤波的系统方程和观测方程，给出了车载组合导航系统的分布式滤波组合方案。仿真结果表明：组合导航系统在反馈校正时能有效地抑制导航误差。
本文有如下创新点：
1．在捷联惯导数字迭代算法中，姿态算法有效处理了导航坐标系旋转的影响，利用位置矩阵求解位置的方法很容易地解决了涡卷误差的补偿问题。程序设计者可按照论文中的捷联惯导迭代算法编制出实用的程序。
2．在模拟航迹基础上，对捷联惯性导航算法和车载组合导航系统进行了面向对象的C++程序设计和仿真。
The inertial sensors (gyros and accelerometers) of the strapdown inertial navigation system (SINS) are directly mounted to the vehicle. Unlike platform inertial navigation system, special problems will occur when the software and the hardware are considered in SINS. There are two key points in the research on SINS. One is to get the measurements of the vehicle motion as precise as possible and the other is to develop navigation algorithms by which the navigation accuracy can be guaranteed.
The main efforts done in the thesis are as follows:
1. Because the data output of most of the inertial sensors in SINS is in incremental form, the fundamental theory of SINS based on the data output form is described in this thesis. The theory includes quaternion and rotation vector, coning error, sculling error and scrolling error and the compensating methods of these errors.
2. On the condition of selecting East-North-Up coordinate as navigation coordinate and supposing the updating periods for attitude, velocity and position all the same, the digital algorithms for SINS are deduced in details. The simulation results show that coning error and sculling error can be compensated satisfactorily in the algorithms.
3. The vehicle-borne integrated navigation system is studied. The paper presents the form of SINS/Odometer(OD)/Global Position System(GPS) integrated navigation system based on SINS. State and observation equations are established for Kalman filter. The simulation result shows that the integrated navigation system can reduce navigation error when using the feedback calibration method.
The main innovations done in the thesis are as follows:
1. The rotation effect of navigation coordinate is well compensated in SINS attitude algorithms. Scrolling error compensation can directly be used in the position matrix update algorithms. Programmers can easily program in practice when using the SINS digital algorithms.
2. Based on trajectory generation, SINS digital algorithms and the vehicle-borne integrated navigation system are designed using object oriented design (OOD) and C++ language; hence simulated.
本文的主要研究工作如下：
1．针对当前捷联惯导系统中惯性器件的输出大多采用增量形式的数据输出，简要介绍了适合于增量形式数据处理的捷联算法基本理论。基本理论包括四元数和等效旋转矢量算法、圆锥误差及其补偿算法、划船误差产生的机理及其补偿算法、涡卷误差产生的机理及其补偿算法。
2．以东北天坐标系为导航坐标系，假定姿态、速度和位置更新周期相同时，详细推导了捷联惯导的数字迭代算法。仿真结果表明：捷联惯导算法能实现对姿态圆锥误差和速度划船误差的补偿。
3．对捷联惯导系统、里程仪(OD)和全球定位系统(GPS)误差方程进行了分析，建立了以捷联惯导系统为主的用于卡尔曼滤波的系统方程和观测方程，给出了车载组合导航系统的分布式滤波组合方案。仿真结果表明：组合导航系统在反馈校正时能有效地抑制导航误差。
本文有如下创新点：
1．在捷联惯导数字迭代算法中，姿态算法有效处理了导航坐标系旋转的影响，利用位置矩阵求解位置的方法很容易地解决了涡卷误差的补偿问题。程序设计者可按照论文中的捷联惯导迭代算法编制出实用的程序。
2．在模拟航迹基础上，对捷联惯性导航算法和车载组合导航系统进行了面向对象的C++程序设计和仿真。
The inertial sensors (gyros and accelerometers) of the strapdown inertial navigation system (SINS) are directly mounted to the vehicle. Unlike platform inertial navigation system, special problems will occur when the software and the hardware are considered in SINS. There are two key points in the research on SINS. One is to get the measurements of the vehicle motion as precise as possible and the other is to develop navigation algorithms by which the navigation accuracy can be guaranteed.
The main efforts done in the thesis are as follows:
1. Because the data output of most of the inertial sensors in SINS is in incremental form, the fundamental theory of SINS based on the data output form is described in this thesis. The theory includes quaternion and rotation vector, coning error, sculling error and scrolling error and the compensating methods of these errors.
2. On the condition of selecting East-North-Up coordinate as navigation coordinate and supposing the updating periods for attitude, velocity and position all the same, the digital algorithms for SINS are deduced in details. The simulation results show that coning error and sculling error can be compensated satisfactorily in the algorithms.
3. The vehicle-borne integrated navigation system is studied. The paper presents the form of SINS/Odometer(OD)/Global Position System(GPS) integrated navigation system based on SINS. State and observation equations are established for Kalman filter. The simulation result shows that the integrated navigation system can reduce navigation error when using the feedback calibration method.
The main innovations done in the thesis are as follows:
1. The rotation effect of navigation coordinate is well compensated in SINS attitude algorithms. Scrolling error compensation can directly be used in the position matrix update algorithms. Programmers can easily program in practice when using the SINS digital algorithms.
2. Based on trajectory generation, SINS digital algorithms and the vehicle-borne integrated navigation system are designed using object oriented design (OOD) and C++ language; hence simulated.
引文
[1] 袁信、郑谔编，《捷联式惯性导航原理》，航空专业教材编审组，1985年
[2] 顾启泰、刘学斌，《近代制导、导航和控制系统的进展》，导航，1998年第1期，1-8
[3] 陈哲著，《捷联式惯性导航原理》，航空专业教材编审组，1986年
[4] 胡小平主编，《自主导航理论与及应》，国防科技大学出版社，2002年
[5] 秦永元，郭富强，梅硕基著，《惯性导航原理》，618所教材，1994年
[6] 秦永元，《捷联惯导姿态和导航算法中的锥误差、划艇误差及涡卷误差分析研究报告》，六一八所报告，2001年
[7] 秦永元，张士邈，《捷联惯导姿态更新的四子样旋转矢量优化算法研究》，中国惯性技术学报，第9卷第4期，2001年，1-7
[8] 张士邈，刘放，秦永元，《捷联惯导姿态算法若干问题的研究》，中国惯性技术学报，第10卷第2期，2002年，1-6
[9] 顾冬晴，张海涛，秦永元，《捷联惯导姿态更新的双子样二次迭代优化算法研究》，中国惯性技术学报，第10卷第3期，2002年，8-14
[10] John E. Bortz, "A New Mathematical Formulation for Strapdown Inertial Navigation", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 7, NO.1, January 1971, pp61-66
[11] Jordon J.W., "An Accurate Strapdown Direction Cosine Algorithms", Report TND-5384, NASA, Washington, 1969
[12] Gilmore J.P., "Modular Strapdown Guidance Unit with Embedded Microprocessors", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 3, No.1, January-February. 1980, pp. 201-205
[13] Robin B. Miller, "A New Strapdown Attitude Algorithm",Journal of Guidance, Vol. 6, NO. 4, July-August 1983, pp287-291
[14] Jang G. Lee and Yong J. Yoon, "Extension of Strapdown Attitude Algorithm for High-Frequency Base Motion", Journal of Guidance, Vol. 13, NO. 4, July-August 1990, pp738-743
[15] Yeon Fu Jiang and Yu Ping Lin, "Improved Strapdown Coning Algorithms", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 28, NO. 2, April 1992, pp484-489
[16] Howard Musoff and James H. Murphy, "Study of Strapdown Navigation Attitude Algorithms",Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 18, No. 2, March-April 1995, pD287-290
[17] Paul G. Savage, "Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design Part 1: Attitude Algorithms", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 21, No.1, (January-February. 1998), pp. 19-28
[18] Paul G. Savage, "Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design Part 2: Attitude Algorithms", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 21, No. 2, (March-April. 1998), pp. 208-221
[19] 张士邈，《适合高动态环境的捷联惯导系统高精度算法研究》，西北工业大学硕士论文，2002年
[20] 聂水茹，《高动态环境下捷联惯导的优化算法研究》，西北工业大学硕士论文，2003年
[21] 万德钧著，《惯性导航初始对准》，东南大学出版社，1998年
[22] 何昆鹏，吴简彤，胡文彬，周雪梅，《船用武器捷联姿态基准系统快速传递对准方法研究》，中国惯性技术学报，第11卷第3期，2003年，1-6
[23] 程慧俐，以光衢，张洪铖，《捷联惯导系统仿真器设计》，系统仿真学报，第6卷第4期，1993年，41-44
[24] 刘放，陈明，高丽，《捷联惯导系统软件测试中的仿真飞行轨迹设计及应用》，测控技术，2003年05期，24-29
[25] 杨艳娟，黄德鸣，张廷顺，《一种适合工程实用的捷联航姿算法》，中国惯性技术学报，第9卷第2期，2001年，12-15
[26] 郭富强、于波、汪淑华著，《陀螺仪稳定装置及其应用》，西北工业大学出版社，1995年
[27] 秦永元、张洪钺、汪叔华著，《卡尔曼滤波与组合导航原理》，西北工业大学，1981年
[28] 高继严，《里程仪／航向仪／GPS陆用组合导航系统》，西北工业大学硕士论文，1995年
[29] 张海涛，《惯性基智能容错组合导航设计理论关键问题研究》，西北工业大学硕士论文，2001年
[30] 秦永元，《车载组合导航算法设计》，十六所报告，2003年
[31] 董绪荣、张守信、华仲春著，《GPS／INS组合导航定位及应》，国防科技大学出版社，1998年
[32] 林敏敏，房建成，高国江，《GPS／SINS组合导航系统混合校正卡尔曼滤波
方法》，中国惯性技术学报，第11卷第3期，2003年，29-33
[33] 张宜华著，《精通MATLAB 5》，清华大学出版社，1999年
[34] 苏金明，阮沈勇编著，《MATLAB6.1实用指南》，电子工业出版社，2002年1月
[2] 顾启泰、刘学斌，《近代制导、导航和控制系统的进展》，导航，1998年第1期，1-8
[3] 陈哲著，《捷联式惯性导航原理》，航空专业教材编审组，1986年
[4] 胡小平主编，《自主导航理论与及应》，国防科技大学出版社，2002年
[5] 秦永元，郭富强，梅硕基著，《惯性导航原理》，618所教材，1994年
[6] 秦永元，《捷联惯导姿态和导航算法中的锥误差、划艇误差及涡卷误差分析研究报告》，六一八所报告，2001年
[7] 秦永元，张士邈，《捷联惯导姿态更新的四子样旋转矢量优化算法研究》，中国惯性技术学报，第9卷第4期，2001年，1-7
[8] 张士邈，刘放，秦永元，《捷联惯导姿态算法若干问题的研究》，中国惯性技术学报，第10卷第2期，2002年，1-6
[9] 顾冬晴，张海涛，秦永元，《捷联惯导姿态更新的双子样二次迭代优化算法研究》，中国惯性技术学报，第10卷第3期，2002年，8-14
[10] John E. Bortz, "A New Mathematical Formulation for Strapdown Inertial Navigation", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 7, NO.1, January 1971, pp61-66
[11] Jordon J.W., "An Accurate Strapdown Direction Cosine Algorithms", Report TND-5384, NASA, Washington, 1969
[12] Gilmore J.P., "Modular Strapdown Guidance Unit with Embedded Microprocessors", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 3, No.1, January-February. 1980, pp. 201-205
[13] Robin B. Miller, "A New Strapdown Attitude Algorithm",Journal of Guidance, Vol. 6, NO. 4, July-August 1983, pp287-291
[14] Jang G. Lee and Yong J. Yoon, "Extension of Strapdown Attitude Algorithm for High-Frequency Base Motion", Journal of Guidance, Vol. 13, NO. 4, July-August 1990, pp738-743
[15] Yeon Fu Jiang and Yu Ping Lin, "Improved Strapdown Coning Algorithms", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 28, NO. 2, April 1992, pp484-489
[16] Howard Musoff and James H. Murphy, "Study of Strapdown Navigation Attitude Algorithms",Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 18, No. 2, March-April 1995, pD287-290
[17] Paul G. Savage, "Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design Part 1: Attitude Algorithms", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 21, No.1, (January-February. 1998), pp. 19-28
[18] Paul G. Savage, "Strapdown Inertial Navigation Integration Algorithm Design Part 2: Attitude Algorithms", Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 21, No. 2, (March-April. 1998), pp. 208-221
[19] 张士邈，《适合高动态环境的捷联惯导系统高精度算法研究》，西北工业大学硕士论文，2002年
[20] 聂水茹，《高动态环境下捷联惯导的优化算法研究》，西北工业大学硕士论文，2003年
[21] 万德钧著，《惯性导航初始对准》，东南大学出版社，1998年
[22] 何昆鹏，吴简彤，胡文彬，周雪梅，《船用武器捷联姿态基准系统快速传递对准方法研究》，中国惯性技术学报，第11卷第3期，2003年，1-6
[23] 程慧俐，以光衢，张洪铖，《捷联惯导系统仿真器设计》，系统仿真学报，第6卷第4期，1993年，41-44
[24] 刘放，陈明，高丽，《捷联惯导系统软件测试中的仿真飞行轨迹设计及应用》，测控技术，2003年05期，24-29
[25] 杨艳娟，黄德鸣，张廷顺，《一种适合工程实用的捷联航姿算法》，中国惯性技术学报，第9卷第2期，2001年，12-15
[26] 郭富强、于波、汪淑华著，《陀螺仪稳定装置及其应用》，西北工业大学出版社，1995年
[27] 秦永元、张洪钺、汪叔华著，《卡尔曼滤波与组合导航原理》，西北工业大学，1981年
[28] 高继严，《里程仪／航向仪／GPS陆用组合导航系统》，西北工业大学硕士论文，1995年
[29] 张海涛，《惯性基智能容错组合导航设计理论关键问题研究》，西北工业大学硕士论文，2001年
[30] 秦永元，《车载组合导航算法设计》，十六所报告，2003年
[31] 董绪荣、张守信、华仲春著，《GPS／INS组合导航定位及应》，国防科技大学出版社，1998年
[32] 林敏敏，房建成，高国江，《GPS／SINS组合导航系统混合校正卡尔曼滤波
方法》，中国惯性技术学报，第11卷第3期，2003年，29-33
[33] 张宜华著，《精通MATLAB 5》，清华大学出版社，1999年
[34] 苏金明，阮沈勇编著，《MATLAB6.1实用指南》，电子工业出版社，2002年1月