MSINS/GPS组合导航系统及其数据融合技术研究
MSINS/GPS组合导航系统具有巨大的军事、民用价值和广阔的应用前景,本文针对MIMU和GPS数据的预处理、分布式导航计算机的软硬件设计、数据融合方法等开展了较为深入地研究,所作的主要工作可归纳为如下几个方面: (1)完成了基于小型光纤陀螺仪和石英挠性加速度计的MIMU安装支架设计,并进行了整体装配;对小型光纤陀螺和石英加速度计分别进行了性能测试和分析,对MIMU进行了整体标定:针对高精度三轴转台价格昂贵、安装在室内无法在转台上接收GPS信号进行动态实验的缺点,提出了采用变几何衍架结构的低成本惯性测量组合标定系统软硬件设计方案;在运用...
MSINS/GPS组合导航系统具有巨大的军事、民用价值和广阔的应用前景,本文针对MIMU和GPS数据的预处理、分布式导航计算机的软硬件设计、数据融合方法等开展了较为深入地研究,所作的主要工作可归纳为如下几个方面: (1)完成了基于小型光纤陀螺仪和石英挠性加速度计的MIMU安装支架设计,并进行了整体装配;对小型光纤陀螺和石英加速度计分别进行了性能测试和分析,对MIMU进行了整体标定:针对高精度三轴转台价格昂贵、安装在室内无法在转台上接收GPS信号进行动态实验的缺点,提出了采用变几何衍架结构的低成本惯性测量组合标定系统软硬件设计方案;在运用小波分析方法提取陀螺仪输出数据中的趋势项的基础上,建立了陀螺仪漂移的ARMA模型:分析了GPS报文的格式,针对MSINS/GPS组合的不同方式,介绍了报文的解码方法,编制了相关的程序。 (2)以DSP为核心设计了MSINS/GPS分布式控制组合导航计算机,并对其进行了软、硬件调试。采用浮点放大器和CPLD实现了MIMU的高速、高精度数据采集;采用单片机控制接收、判断和校验GPS-OEM板异步串口输出的报文:各处理器之间通过双端口RAM共享数据,从而实现了分布式控制。系统与主机的通信采用RS-232/485/422多协议串口;为提高系统的任务调度能力,对μC/OS-Ⅱ实时操作系统进行了移植应用。 (3)简要阐述了捷联惯性导航系统的工作原理,给出了导航解算方法,列出了MSINS的误差传播方程。分析了MSINS和GPS的组合技术,给出了位置/速度组合、伪距,伪距率组合的状态方程和量测方程,确定了组合系统的校正方法。针对GPS串行输出的量测信息输出滞后问题,采用GPS接收机输出的1PPS脉冲,结合CPID、DSP、MCU内部的定时器、中断等相应的硬件资源,针对不同的组合方案与软件相结合,实现了MIMU和GPS的数据同步。 (4)提出了一种改进的联邦强跟踪卡尔曼滤波算法,并将其应用于MSINS/GPS浅组合中。采用了三层容错结构,能够有效地检测出数据粗大误差、GPS速度跳变以及滤波器误差估计的故障,及时进行故障隔离,从而使系统具有良好的容错能力。仿真结果表明,联邦强跟踪卡尔曼滤波算法解决了量测相关、GPS速度跳变和初值选取敏感性等问题,可以提高系统的实时性、鲁棒性和容错性能。 (5)提出了一种分散区间Kalman滤波算法,并将其应用在MSINS/GPS深组合中。对系统噪声和量测噪声用区间描述,并对系统噪声根据滤波结果采用模糊自适应方法进行调整;采用多传感器线性最小方差最优估计标量加权方法实现子滤波器之间的数据融合;运用一种较为简单的区间矩阵求逆方案,利用时变马尔可夫模型在线调整滤波输出加权系数;仿真结果表明该改进算法的状态估计精度较高。 (6)建立了MSINS/GPS组合导航的实验系统,并进行了静态实验。测试结果表明,该系统从导航计算机设计到相应的数据融合处理算法是成功的,为今后进行MSINS/GPS组合系统进一步实验研究奠定了良好的基础。
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作者: 马云峰
学科专业: 精密仪器及机械
授予学位: 博士
学位授予单位: 东南大学
导师姓名: 周百令
学位年度: 2006
语 种: chi
分类号: TN967.2 TP311.13
在线出版日期: 2007年8月14日