捷联导航系统毕业论文

上一篇中围绕一个简单的扩展卡尔曼滤波算法的实现案例阐述。本篇主要针对两种不同的导航系统进行展开讨论——松组合与紧组合导航系统。   捷联惯导系统（SINS）利用陀螺仪、加速度计等惯性器件进行目标的位置、速度估计，其缺点是误差随时间累积。全球定位系统（GPS）定位和测速精度较高，然而其信号有可能中断或受干扰，造成短时间无法正常使用的情况，因此，将SINS与GPS进行优势互补，即组成组合导航系统。   松组合导航系统是一种相对简单的组合方式，在该方式下，GPS与SINS各自独立工作，最终将两者数据融合，用于修正SINS系统的相关参数，最终给出较好的导航估计结果。   以多旋翼飞行器为例，松组合结构框图如下所示，   紧组合是一种相对复杂的组合方式，在该组合方式中，利用GPS接收机提供的卫星定位原始信息，如伪距、伪距率以及多普勒频率等，相对而言，紧组合导航系统具有更高的导航解算精度。同时，当载体运动或外界信号干扰时，紧组合导航系统依然能够利用有限的GPS信息，进行导航解算，避免组合导航系统退化为纯惯导系统，因此，其具有比松组合导航系统更强的抗干扰能力。然而，该组合方式需要配备支持输出伪距、伪距率以及多普勒频率等信息的GPS接收机。   以多旋翼飞行器为例，紧组合结构框图如下所示，   本文简述了两种不同的组合导航系统：松组合与紧组合导航系统。相比而言，紧组合导航系统具有更强的抗干扰能力与更高的解算精度。然而，目前主流的多旋翼无人机产品中使用紧组合导航系统的依然是少数。紧组合导航系统的优势不言而喻，随着未来硬件成本下降、计算资源充足，使用紧组合导航系统的无人机产品将越来越多。

进入20世纪80~90年代，在航天飞机、宇宙飞船、卫星等民用领域及在各种战略、战术导弹、军用飞机、反潜武器、作战舰艇等军事领域开始采用动力调谐式陀螺、激光陀螺和光纤式陀螺的捷联惯导系统，尤其是激光陀螺和光纤式陀螺是捷联惯导系统的理想器件。激光陀螺具有角速率动态范围宽、对加速度和震动不敏感、不需温控、启动时间特别短和可靠性高等优点。激光陀螺惯导系统已在波音757/767、A310民机以及F-20战斗机上试用，精度达到的量级。20世纪90年代，激光陀螺惯导系统估计占到全部惯导系统的一半以上，其价格与普通惯导系统差不多，但由于增加了平均故障间隔时间，因而其寿命期费用只有普通惯导系统的15%~20%。光纤陀螺实际上是激光陀螺中的一种，其原理与环型激光陀螺相同，克服了因激光陀螺闭锁带来的负效应，具有检测灵敏度和分辨率极高（可达10-7rad/s）、启动时间极短（原理上可瞬间启动）、动态范围极宽、结构简单、零部件少体积小、造价低、可靠性高等优点。采用光纤陀螺的捷联航姿系统已用于战斗机的机载武器系统中及波音777飞机上。波音777由于采用了光纤陀螺的捷联惯导系统，其平均故障间隔时间可高达20000h。采用光纤陀螺的捷联惯导系统被认为是一种极有发展前途的导航系统。尽管捷联惯导系统不能避免惯性器件的固有缺点，但由于它具有诸多优点，因此，目前捷联惯导系统在各类民用的航天飞行器、运载火箭、客/货机及军事领域的各类军用飞机、战术导弹等武器系统上都已被广泛采用。随着航空航天技术的发展及新型惯性器件的关键技术的陆续突破进而被大量应用，捷联惯导系统的可靠性、精度将会更高，成本将更低，同时，随着机（弹）载计算机容量和处理速度的提高，许多惯性器件的误差技术也可走向实用，它可进一步提高捷联惯导系统的精度。此外，随着以绕飞行体轴旋转角增量为输出的新型高精度捷联式陀螺的出现，用以描述刚体姿态运动的数学方法也有了新的发展，将以经典的欧拉角表示法向四元素表示法发展。不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累（这也是纯惯导系统的主要误差源之一，它对位置误差增长的影响是时间的三次方函数），惯导系统长时间运行必将导致客观的积累误差，因此，目前人们在不断探索提高自主式惯导系统的精度外，还在寻求引入外部信息，形成组合式导航系统，这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、GPS等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。这样，既保持了纯惯导系统的自主性，又防止了导航定位误差随时间积累。组合导航系统不仅在民用上而且在军事上均具有重要意义。随着 GPS的普及， SINS /GPS组合导航系统显示出巨大的发展潜力。该组合导航系统由GPS提供三维位置、三维速度和精确的时间信息，系统的核心是卡尔曼滤波器，它是在线性最小方差下的最优估计。美国海军在海湾战争发射的斯拉姆导弹的惯导系统采用了GPS技术，其命中精度达10~15m之内；美国于20世纪80年代研制的已在三叉戟核潜艇上部署的射程达11110km的三叉戟2D-5战略导弹，采用了CNS/INS(天文导航系统/惯性导航系统)组合导航系统，其导弹落点圆周概率(CEP)小于185m。