捷联惯导系统的系统级全参数标定方法研究

摘要................................................................................................................. I Abstract .................................................................................................................. II 目录 .................................................................................................................. IV 第1章绪论 (1)

1.1 课题的来源及研究目的和意义 (1)

1.2国内外研究现状分析 (3)

1.2.1国内外对惯性元件误差的研究进展 (3)

1.2.2 惯性元件标定方法的发展现状 (5)

1.3 本文的主要研究内容 (6)

第2章捷联惯性导航系统的基本原理 (8)

2.1 引言 (8)

2.2 捷联惯性导航系统的工作原理 (8)

2.2.1 基本坐标系的定义 (9)

2.2.2 坐标变换关系 (10)

2.3 惯性测量元件的误差模型 (11)

2.3.1 加速度计误差模型 (12)

2.3.2 陀螺仪误差模型 (12)

2.4 捷联惯导系统的基本导航方程 (13)

2.4.1 捷联惯导系统的速度方程 (13)

2.4.2 捷联惯导系统的姿态方程 (17)

2.4.3 捷联惯导系统的位置方程 (19)

2.5 静基座下的捷联惯导系统误差方程 (20)

2.6 加速度计误差对系统导航误差的影响 (25)

2.6.1 东向加速度计误差对系统的影响 (26)

2.6.2 北向加速度计误差对系统的影响 (27)

2.7 陀螺仪误差对系统导航误差的影响 (29)

2.7.1 东向陀螺仪误差对系统的影响 (30)

2.7.2 北向陀螺仪误差对系统的影响 (32)

2.7.3 天向陀螺仪误差对系统的影响 (34)

2.8 全参数下系统的导航误差 (36)

- IV -

2.9 本章小结 (37)

第3章经验模态分解方法研究 (38)

3.1 引言 (38)

3.2 经验模态分解 (38)

3.3 本征模函数 (39)

3.4 Hilbert变换 (40)

3.5 经验模态分解方法的应用 (41)

3.6 本章小结 (47)

第4章基于EMD的系统级全参数标定方法 (48)

4.1 引言 (48)

4.2 标定参数的可辨识性分析 (48)

4.2.1 加速度计误差参数的可辨识性分析 (48)

4.2.2 陀螺仪误差参数的可辨识性分析 (50)

4.3 基于经验模态分解EMD的标定方法的基本思想 (52)

4.4 经验模态分解对导航误差的解算仿真 (58)

4.5 本章小结 (63)

结论 (64)

参考文献 (65)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (68)

致谢 (69)

- V -

第1章绪论

1.1 课题的来源及研究目的和意义

惯性导航系统是一种依靠系统自身携带的惯性测量器件（加速度计和陀螺仪），以牛顿定理为基本原理，通过将惯性测量元件的测量值积分来得到自身姿态、速度、位置信息的自主式导航系统。由于是自主式导航，惯性导航系统有着不依赖外部信息、不受外部电磁干扰、环境气候限制和导航信息连续等优点；但同时由于导航是通过将惯性测量元件的测量值积分得到，惯性导航系统也有定位误差随时间累积、每次使用前需要进行初始对准和高精度惯性测量元件价格昂贵等缺点。惯性导航系统最先应用于二战期间由德国人韦纳·冯·布劳恩研制的V-2火箭上，用以精确制导[1]。后来人们将惯性导航系统广泛应用于各种运动工具中，包括飞机、潜艇、航天器以及导弹等。在以提高导航精度为目的的研究过程中，研究者起初致力于提高惯性测量元件自身的工艺精度和提出更先进的测量原理，后来又提出引入大量的外部测量信息用以修正导航误差，组成了一类非自主式导航系统，如天文导航系统、卫星导航系统、地形匹配导航系统和组合导航系统等[2]。

早期的惯性导航系统多为平台式惯导系统，就是在运载体上安装由惯性测量元件组成的物理平台，用该平台实时跟踪地理坐标系的变化模拟导航坐标系，通过状态矩阵转换对载体的速度信息、姿态信息和位置信息进行解算。随着各类运载体小型化，和对可靠性要求的提高，一种新的惯导系统——捷联惯导系统开始发展起来，它是将惯性测量元件与运载体直接固联在一起，通过微型计算机对测量信息进行处理和实时解算，在计算机内建立一个虚拟的数学平台以取代平台式导航系统的机电一体平台[3]。捷联惯导系统简化了导航系统的机械结构，极大地减轻了系统重量，且允许全姿态工作，还能够提供载体系下的速度和加速度信息。

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