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1、基于MEMSIMU的捷联式惯性导航系统技术与实现研究哈尔滨工程大学硕士学位论文基于MEMS-IMU的捷联式惯性导航系统技术与实现研究姓名：姜朋中请学位级别:硕士专业:控制工程指导教师:赵琳2012-06基于.的捷联式惯性导航系统技术与实现研究摘要惯性导航技术在军事领域及国民经济中有着广泛的应用。近年来，随着微机电系统?？，技术地不断进步，惯性器件的精度和稳定性逐步提高,基于？的捷联式惯性导航系统以其成本低、体积小、功耗低的特点成为研究的热点领域。然而，由于惯性器件的精度较低，由其构成的惯导系统无法长时间单独完成导
2、航定位任务,而引入信号对系统进行误:差修正，可以很好的解决这个问题，同时，惯导系统的短时独立导航功能又能弥补号容易丢失的缺陷。本文圉绕着捷联惯导系统的基本原理及应用展开研究,利用磁强计和:辅助捷联惯导系统提供系统定姿和导航性能。主要研究内容如下：•研究了捷联惯导系统的基本工作原理和解算流程，对比分析了捷联惯导系统中三种传统的姿态更新算法，针对工程应用和陀螺仪的特性，选择了四元数:法作为姿态角更新算法。对静止条件下的捷联惯导系统算法进行了理论仿真和误差分析，针对惯性测量元件课差较大的情况进行了仿真,结果证明惯性器件
3、无法直接使用传统捷联惯导算法进行导航解算。•针对陀螺仪精度较低的特点，设计了由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计构成的组合定姿方案。通过对磁强计和加速度计的观测值进行几何求解获得姿态角，并通过卡尔曼滤波对陀螺仪求出的姿态角进行最优估计。利用公司的微惯性测量组合系统对原始数据进行采集和处理，验证了该组合定姿方案的实用性。•构建了基于•/磁强计/的松组合导航系统,磁强计和加速度计用来确定载体的初始姿态角，的导航定位信息用来对捷联惯导系统的速度和位置进行误差修正。经过理论仿真证明了该组合方案的可行性，通过跑车实验进一
4、步验证了该组合导航系统具有可靠的导航定位功能。关键词:微机电系统;组合定姿;卡尔曼滤波;组合导航9••9••,••9、•9・,・・?/'/,•y•哈尔滨工程大学硕士学位论文.;•••»第章绪论第章绪论惯性导航技术最早起源于第二次世界大战期问。随着现代制造工艺地发展，惯性器件的精度越来越高，新型惯性器件不断涌现，惯性导航技术正在更加广泛地渗透二海陆空各种运载体和设备之中。木章首先对课题研究的背景和意义做了简单介绍,然后结合目前国内外对基于惯性导航系统的研究状况给出了本文的研究内容。•课题的背景和意义导航的历史由来已
5、久，古罗马人在很早的时候就利用北极星和太阳的位置作为参照横渡地中海，屮国古代指南针的发明更是为人类导航技术的进步做出了重大贡献。从现代科学定义的角度分析，导航是正确引导运载体沿着预定的航线在规定的时问从起始点到达目的地的技术或者方法，用来完成上述引导任务的设备包括载体上和地面上的设备系统称为导航系统-O按照导航系统是否需要外界参考信息，可以将导航分:勾自主式导航和非自主式导航两种【。自主式导航主要指惯性导航，,非自主式导航主要包括天文导航、无线电导航和卫星导航等。惯性导航系统最关键的两个部件是陀螺仪和加速度计。陀
6、螺仪用來量测载体生惯性空间的旋转角速度,加速度计用来量测载体的线加速度，而后，通过转换和积分便可以获得载体的姿态、速度和位置等导航信息。早期的陀螺仪由于干扰力矩较大,精度很低，在工程应用中十分有限。直到世纪年代，美国麻省理工学院德雷柏实验室成功研制出液浮陀螺仪,才使陀螺仪真正意义上达到了惯性导航的要求。惯性导航系统具有自主、隐蔽的特点，工作过程中不需要与外界环境进行信息交换。系统能够不受天气环境影响，在全球范围内进行三维定位和三维定向【。惯性导航自主隐蔽的特性使其在军事应用中得到广泛发展，从飞机、导弹到潜艇、舰船
7、,惯性导航的身影无处不在。但是,惯性导航也有其自身的缺点，误差随时间积累，每次使用时都需要进行初始对准，造价比较昂贵,体积、重量较大【。平台式惯导系统;捷联式惯导系统，是几乎同步发展起来的两种不同形式的惯导系统。最近几年，由于计算机芯片的高速发展，捷联式惯性导航系统的“数学平台,，相对于平台式惯导系统的机械平台优势更加明显，使得捷联式惯导系统发展成为当今惯性导航系统的主流。非自丰式导航系统无法单独依靠自身的导航设备进行导航，而必须有其他地方的设备进行协同工作。非自主式导航系统的应用非常广泛,早期有单纯的无线电导航
8、系统，现在应用最为广泛的是卫星定位系统。卫星定位系统能够在全球范围内为用户提供高精度的三维位置、速度及吋间信息,具有全天候、实吋性等诸多优点，被广泛应用于军民哈尔滨:程大学硕士学位论文领域。世界上许多国家都认识到了全球定位系统的重要性，纷纷加大人力和物力投入进行相关研究。截止目前,美国的全球定位系统已经投入运营，俄罗斯的、欧洲多国联合建造的系统和中国的“北斗”定位系统都正
