低成本SINS/GPS组合导航系统研究
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摘要
捷联惯导系统是近年来惯性技术的一个发展方向。在捷联惯导系统中，用数学平台代替了常规的物理平台。由于捷联惯导系统具有的一系列优点，在许多应用中有取代平台式惯导系统的趋势。本文以一个低成本压电陀螺捷联惯导系统及其与GPS的组合为对象，做了以下几方面的研究工作。为今后工程样机的研制提供了坚实的基础。
提供了对压电式陀螺捷联惯性组件测试的方法，本方法的特点在于测试方法切实可行，并且整个测试过程所需的时间短，具有较高的工程实用价值。
采用了工程上实用的四元数捷联导航系统的算法，分析了系统误差源，仿真验证了捷联惯导系统在有惯性器件误差及初始对准误差情况下的输出变化。在以上研究的基础上，对一个实际的压电式捷联系统进行了静态测试。实验结果表明本文采用的算法是有效的，编制的程序能够正确运行。
本文还研究了SINS／GPS组合导航系统，通过对各个子系统的分析，分别建立了它们的误差模型，确定了组合模式，设计了一个集中式卡尔曼滤波器。仿真结果表明了该组合可以提高系统精度，特别是位置和速度的精度有明显的提高。
Strapdown inertial navigation system is a trend of inertial technology in recent years. In SINS, physical platform of traditional INS is replaced by mathematical platform. Because of these advantages of SINS, it is on the trend of replacing flat inertial navigation system in many applications. This paper regards a low cost piezoelectricity gyro SINS and integration of it and GPS as the target, make the research work of the following aspects. To project researches of prototype of a machine offer the Solid foundation.
Offer a inertia method that test to piezoelectricity gyro strapdown IMU, characteristic of method this feasible to lie in method of testing, Test time that the course take short, have higher project practical value while being whole.
Adopt project practical quaternion algorithm of strapdown navigation system, Analyze systematic error source, emulation prove the output change of SINS in there is device error of inertia and the initial condition of collimation error. On the basis of the above research, a reality piezoelectricity gyro SINS has carried out the test of static quiet. Test result show this paper adopt algorithm is effective; draw up program can run really certainly correctly.
This paper has still studied SINS/GPS integrated navigation system, parts through the analysis for every subsystem to establish the error pattern of them, have determined combination pattern, and have designed a centralized Kerman filter. Emulate have shown this combination as a result may raise systematic precision, have obvious raising especially the precision of location and speed.
提供了对压电式陀螺捷联惯性组件测试的方法，本方法的特点在于测试方法切实可行，并且整个测试过程所需的时间短，具有较高的工程实用价值。
采用了工程上实用的四元数捷联导航系统的算法，分析了系统误差源，仿真验证了捷联惯导系统在有惯性器件误差及初始对准误差情况下的输出变化。在以上研究的基础上，对一个实际的压电式捷联系统进行了静态测试。实验结果表明本文采用的算法是有效的，编制的程序能够正确运行。
本文还研究了SINS／GPS组合导航系统，通过对各个子系统的分析，分别建立了它们的误差模型，确定了组合模式，设计了一个集中式卡尔曼滤波器。仿真结果表明了该组合可以提高系统精度，特别是位置和速度的精度有明显的提高。
Strapdown inertial navigation system is a trend of inertial technology in recent years. In SINS, physical platform of traditional INS is replaced by mathematical platform. Because of these advantages of SINS, it is on the trend of replacing flat inertial navigation system in many applications. This paper regards a low cost piezoelectricity gyro SINS and integration of it and GPS as the target, make the research work of the following aspects. To project researches of prototype of a machine offer the Solid foundation.
Offer a inertia method that test to piezoelectricity gyro strapdown IMU, characteristic of method this feasible to lie in method of testing, Test time that the course take short, have higher project practical value while being whole.
Adopt project practical quaternion algorithm of strapdown navigation system, Analyze systematic error source, emulation prove the output change of SINS in there is device error of inertia and the initial condition of collimation error. On the basis of the above research, a reality piezoelectricity gyro SINS has carried out the test of static quiet. Test result show this paper adopt algorithm is effective; draw up program can run really certainly correctly.
This paper has still studied SINS/GPS integrated navigation system, parts through the analysis for every subsystem to establish the error pattern of them, have determined combination pattern, and have designed a centralized Kerman filter. Emulate have shown this combination as a result may raise systematic precision, have obvious raising especially the precision of location and speed.
引文
[1]孙枫，袁赣南，张晓红．组合导航系统．哈尔滨工程出版社．1996：6-38页
[2]张树侠，孙静．捷联式惯性导航系统．国防工业出版社．1992
[3]王卫阳．惯性仪表和系统误差模型辨识理论及应用研究．哈尔滨工业大学工学博士学位论文．1997：17-26页
[4]姜复兴，庞志成．惯导测试设备原理与设计．哈尔滨工业大学出版社．1998：3-12页
[5]陈哲．捷联惯导系统原理．宇航出版社．1986
[6]陈熙源，万德钧，程向红．捷联陀螺漂移误差模型辨识及其应用．东南大学学报．1996第27卷第6期：19-23页
[7]秦永元，张洪钺，汪叔华．卡尔曼滤波与组合导航原理．西北工业大学出版社．1998
[8]曹宁生．捷联组合测试探讨．中国惯性技术学报．1997年第5卷第3期：29-34页
[9]俞济祥．卡尔曼滤波及其在惯性导航中的应用．航空专业教材编审．1984
[10]张福学．压电晶体陀螺．压电与声光．1993
[11]麦文刚．GPS／SINS组合导航系统研究．北航硕士论文．2000
[12]刘大杰，施一民，过静瑶．全球定位系统(GPS)的原理与数据处理．同济大学出版社．1997：97-136页
[13]周忠谟，易杰军．GPS卫星测量原理与应用．测绘出版社．1994：79-94页
[14]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
[15]华宇清，于国宏．捷联系统姿态算法比较及研究．航天控制．1995年第3期：10-17页
[16]杨艳娟．捷联惯性导航系统关键技术研究．哈尔滨工程大学工学博士学位论文．2001
[17]Ignagni, M.B. Optimal Strapdown Attitude Integration Algorithms.Journal of Gudiance, Cotrol, and Dynamics. 1990, Vol. 13,
No. 2: 363-369P
[18]赵希人．工程中的随机过程．黑龙江教育出版社．1988：424-437页
[19]Musoff, H. Murphy, J.H.. Study of Strapdown Navigation Algorithms. Journal of Gudiance, Cotrol, and Dynamics. 1995, Vol.18,No. 2: 287-290P
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[22]彭允祥译．捷联惯导系统的等效非线性误差模型．惯导与仪表．1999年第2期：12-18页
[23]黄德鸣，程禄．惯性导航系统．国防工业出版社．1986：1-13页
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[26]吴简彤，乐慧康，朱荣生，张树侠．多传感器数据融合导航系统研究．导航．1999(3)：1-7页
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[34]H. R. Hashemipour, S. Roy and A. j. Laub, Decentralized structures for parallel Kalman filtering. IEEE Trans. on Ac, Vol. AC-33, No.1, Jan,1988
[35]刘承香．惯导／GPS／天文组合导航数据荣和技术研究．哈尔滨工程大学硕士学位论文．2001．5-27页
[36]马昕，袁信．组合导航系统状态／观测矢量融合算法比较．导航．1998．2：55-60页
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[48]徐晓苏．舰载捷联式航向姿态基准系统的研究．东南大学博士研究生论文．1991
[49]苏俊丽，孙永荣，刘建业．捷联系统陀螺动、静态误差补偿研究．导航．1999年12月4期：17-22页
[50]姜璐，金纪顺．惯性导航系统的方位误差分析．导航．2001年3月1期：37-43页
[51]胡汉文，刘新文．捷联惯性部件标度系数、常值漂移的标定．导航．1990年3月1期：9-17页
[52]吴秋平，万德钧，徐晓芳．GPS／惯性组合导航系统研究进展．导航．1998年12月4期：1-10页
[53]黄凤钊，彭永祥．SINS／GPS组合导航系统时序同步技术研究．中国惯性技术学报．1995年第3期
[54]马昕，袁信．组合导航系统状态／观测矢量融合算法比较．导航．1998年6月2期：55-60页
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