基于四元数最优估计的捷联惯导初始对准算法研究

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1、中文图书分类号：TP273密级：公开UDC：621.3学校代码：10005硕士专业学位论文PROFESSIONALMASTERDISSERTATION论文题目：基于四元数最优估计的捷联惯导初始对准算法研究论文作者：魏晓丽专业类别/领域：控制工程指导教师：裴福俊副教授论文提交日期:2017年5月UDC：621.3单位代码：10005中文图书分类号：TP273学号：S201402219密级：公开北京工业大学硕士专业学位论文（全日制）题目:基于四元数最优估计的捷联惯导初始对准算：法研究英文题目:RESEARCH：ONSTRAPDOWNINERTIALIN

2、ITIALALIGNMENTAIGORITHMBASEDONQUATERNIONOPTIMALESTIMATION论文作者：魏晓丽领域：控制工程研究方向：导航制导与控制申请学位：工程硕士专业学位指导教师：裴福俊副教授所在单位：信息学部答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所

3、做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：魏晓丽日期：2017年5月25日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：魏晓丽日期：2017年5月25日导师签名：裴福俊日期：2017年5月25日摘要摘要初始对准过程是捷联惯性导航系统一项关键技术，其精度和运算速度直接决定了捷联惯性导航系统的性能。传统的初始对准方法多数采用粗对准加精对准

4、的两步对准过程，但无论是粗对准还是精对准，都需要进行姿态解算，而针对欧拉角和方向余弦这两种常用的姿态解算方法计算量大，工作效率低的问题，四元数描述以其计算量小，非奇异性等优点，而被广泛应用于捷联惯性导航系统的姿态计算过程，故基于四元数姿态估计的初始对准方法成为了研究热点。本文针对已有的四元数最优估计对准方法，深入分析了算法对准的模型和性能，对基于四元数最优估计的捷联惯导初始对准算法进行了改进和优化。本文的研究工作主要从以下几点展开：首先，针对四元数最优估计对准方法，通过四元数线性伪量测方程的变换建立了四元数最优估计对准线性模型。接下来对误差模型的可

5、观测性能进行了分析，利用分段线性定常系统分析理论和奇异值分解理论分别对对准模型的可观测性进行了定性和定量的分析，证明了该对准模型是完全可观测的。在此基础上，应用四元数Kalman滤波算法对初始姿态四元数进行实时估计，从而得到精确的初始姿态估计，实现了一步估计的精确对准，通过仿真实验和实验数据对该对准算法进行验证。其次，针对陀螺漂移和加速度计零偏等传感器误差造成的测量噪声状态相关的问题，提出了自适应四元数Kalman算法实现最优对准。采用新息自适应调整方法实时调整状态相关的测量噪声协方差，提出了新息自适应四元数Kalman滤波实现最优估计对准，并通过

6、仿真结果和实验结果充分验证了算法不仅能够提高估计精度，也提高了系统的鲁棒性和实时性。最后，针对最优四元数估计对准过程中，K矩阵计算过程中受到陀螺漂移和加速度计零偏等误差的影响，本文提出了一种基于矩阵Kalman滤波的最优估计对准算法。通过对K矩阵设计矩阵Kalman滤波器，一定程度上虑除K矩阵的噪声影响，从而再利用最优估计方法来计算更为精确的初始姿态四元数。仿真和实验结果均证明，改进方法有效的提高初始对准速度和对准精度。关键词：初始对准；四元数滤波；最优估计；自适应滤波；矩阵KalmanIAbstractAbstractTheinitiala

7、lignmentprocessisakeytechnologyofstrapdowninertialnavigationsystem,itsaccuracyandcomputingspeeddirectlydeterminetheperformanceofstrapdowninertialnavigationsystem.Mostofthetraditionalinitialalignmentmethodsuseatwo-stepalignmentprocesswithcoarsealignmentandfinealignment,butwheth

8、eritiscoarseorfinealignment,itneedstocarryoutattitudecalculat