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1、Y 14 3 7 0 8 2 分类号 UDC 密级 编号 工学硕士学位论文 惯导与多普勒组合导航技术仿真 硕士研究生r 张健 指导教师 孙大军教授 学位级别 工学硕士 学科专业 水声工程 所在单位 水声工程学院 论文提交日期 2 0 0 9 年2 月 论文答辩日期 2 0 0 9 年3 月 学位授予单位 哈尔滨工程大学 哈尔滨T 程大学硕十学位论文 摘 要 本论文以多普勒与惯性系统组合导航为主要研究内容 组合导航顾名思 义就是两种或两种以上导航技术组合在一起的导航方式 在论文中分别对捷 联惯导的原理和数学模型 多普勒测速仪的工作原理和计算公式 离散卡尔 曼滤波算法进行了研究 通过这些研究工作理
2、清了以上三个部分在组合导航 中的联系 并在此基础上构架了组合导航程序框图 依据这一框图编写了组 合导航仿真程序 在对多普勒与惯导组合导航系统进行仿真的过程中 得到了一些反映组 合导航性能的结果 并与单一惯性导航进行比较 验证了组合导航在速度和 定位精度上的优势 在这之后 为了揭示多普勒所测速度对于组合导航的影 响 分别改变多普勒速度的均值和均方差 观察这些改变对于组合导航系统 速度和定位精度上的影响 并且从定量的角度总结出多普勒速度变化与组合 导航的速度和定位误差的关系 关键词 组合导航 捷联惯性导航系统 多普勒 卡尔曼滤波 哈尔滨工程大学硕十学位论文 A B S T R A C T T h
3、i sp a p e rf o c u s e so nt h es t u d y i n go ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o nw h i c h c o n s i s t so ft h eD o p p l e rn a v i g a t i o na n dI n e r t i a ln a v i g a t i o n T w oo rm o r em o d e so f n a v i g a t i o n a lt e c h n o l o g ym a k eu po fan e wn a v
4、i g a t i o n a lm o d e t h a ti st h ec o n c e p t o ft h ec o m b i n a t i o nn a v i g a t i o n T h i s p a p e r d i s c u s s e st h e p r i n c i p l e s a n d m a t h e m a t i c sm o d a l so ft h es t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o n w o r k i n gp r i n c i p l e sa n d
5、c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fD o p p l e rn a v i g a t i o n a r i t h m e t i co fK a l m a nf i l t e r A f t e r w o r k i n go u tt h ec o n n e c t i o n so ft h r e ep a r t so ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o n t h e s t r u c t u r eo ft h ec o m b i n a t i o n a ln
6、 a v i g a t i o ni sb u i l tu pb a s e do nt h ec o n n e c t i o n s a n d t h e ne m u l a t o ro ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o ni sf i n i s h e da c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r e I nt h ep r o c e s s i o no ft h ee m u l a t o ro ft h ec o m b i n a t i o nn a v i
7、 g a t i o n s o m er e s u l t s w h i c hC a nr e f l e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o na r eg o t T h e c o m p a r eb e t w e e nt h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o na n dt h ei n e r t i a ln a v i g a t i o np r o v e s t h ea d v a
8、n t a g e so ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o ni nt h ee r r o ro fv e l o c i t ya n d l o c a t i o n A n dt h e n f o ro p e n i n go u tt h ea f f e c t i o no fD o p p l e rv e l o c i t yi nt h e c o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o n t h em e a na n dt h ev a r i e so ft
9、 h eD o p p l e rv e l o c i t ya r e c h a n g e d t oo b s e r v et h et r a n s f o r m a t i o no ft h ec o m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o na n d c o n c l u d eq u a n t i t a t i v ec o n n e c t i o n sb e t w e e nt h ec h a n g eo fD o p p l e rv e l o c i t ya n d e r r o ro f c o
10、m b i n a t i o n a ln a v i g a t i o n K e yw o r d s c o m b i n a t i o nn a v i g a t i o n s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o n d o p p l e r n a v i g a t i o n K a l m a nf i l t e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 本论文的所有工作 是在导师的指导下 由 作者本人独立完成的 有关观点 方法 数据和文献的引用己在 文中指出 并与参考文献相对应 除文中己注
11、明引用的内容夕L 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果 对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式 标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 作者 签字 删廷 日期 D 了年芗月猸 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定 即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学 哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索 可采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文 可以公布论文的全部内容 同时本人保证毕业后结合
12、 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学 涉密学位论文待解密后适用本声明 本论文 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存 汇编等 作者 签字 j 日期 年月日 导 巳嚣旁辫 P 胁日 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 当几千年前的人类乘坐着兽皮制作的小艇 白天依靠着太阳 夜晚辨别 星星 阴天就会迷失在茫茫大洋上 如此往返于岛屿之间时 他们怎能想到 几千年后的我们 借着科学赋予的魔力 利用精确到几米范围的定位导航技 术穿行于地球的每一个角落 我们从未担心出航的船只会找不到方向 登上 的
13、飞机会降落在错误的地方 是什么给予现代人这样的自信和便利 多样而 先进的导航方式 无线电导航 卫星导航 惯性导航 这些都是我们创造和使用的导航技 术 可是人类却从未停下探索的脚步 每一分都希望这世界比之前变得更好 所以人们又一次把精力投入到新技术的研究中 惯导虽好却有着非常大的时 间累积误差 G P S 虽准却不能为深藏水下的潜器定位 每一种导航方式都有 着自己的优势与缺点 如果将它们组合在一起优势互补 扬长避短 就会很 有效的克服单一方式所存在的难题 因此组合导航应运而生 在本论文中 将把捷联惯导与多普勒测速仪利用卡尔曼滤波算法相结合 的方式组成一种导航方式 进行理论分析和仿真测试 下面让我
14、们来更深入 和专业的谈谈导航和它的不同方式 1 2 论文的研究背景 导航是引导载体到达目的地的过程 导航设备有两种工作状态 提供导 航信息 驾驶员根据提供的信息引导飞机沿规定的航线到达目的地 提供的 导航信息通过飞行自动控制系统 自动控制飞机沿预定航线飞行 这时驾驶 员只进行监控 不直接参与飞机的控制 我们将前者成为导航系统工作于指 示状态 后者成为东航系统工作于自动导航状态 要区分导航系统和制导系 统 一般从制导系统的功能来看 它与导航系统工作于自动导航状态相同 1 1 2 1 导航系统的历史 北宋宣和年朱域著的 萍洲可谈 一书中记载与 舟师试地理 夜则 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 观星
15、昼则观日 阴晦则指南针 就是说当时的航海家用地文航海术 天 文航海术 在阴天见不到太阳时用磁罗经进行定向导航 本世纪初 为了完 成潜水艇北极航行计划 由于磁罗经在潜水艇内因地磁力线为潜水艇铁壳所 屏蔽不能工作 德国人安休茨为此研制成功了世界上陀螺家族中的第一台精 密陀螺仪器一航海陀螺罗经 之后 经半个世纪的发展 陀螺仪表中的最高 水平代表一航海惯性导航系统在美国麻省理工学院德雷珀实验室诞生 无线 电导航在本世纪3 0 年代第二次世界大战期间开始问世 最早的无线电导航设 备是技术上最简单的无线电测向仪 雷达也是第二次世界大战中为军事用途 有英国发明的 半个多世纪以来无线电导航技术有着惊人的发展
16、卫星导航 的第一代产品是1 9 6 5 年的子午仪 它使导航系统进入了宇宙空间 全球全天 候自动精确三维定位导航的全球定位导航系统的研制成功是导航技术上的革 命 大到舰船 飞机 4 N 汽车甚至单兵作战也用上了全球定位系统 百年 来不仅陀螺导航技术 无线电导航技术呈现出百花争奇斗艳的局面 其他水 声导航 气象导航等也涌出许多设备 它们为组合导航提供了众多讯息源的 基础 随着电子计算机技术特别是微机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的 进步 从7 0 年代开始组合导航技术开始迅猛发展起来 过去单独使用的各种 导航设备 通过微型电子计算机有机地组合到一起 发挥各自特点 扬长避 短 加之使用卡尔曼滤波技术的数据处理方法 使系统导航能力 精度 可 靠性和自动化程度大为提高 成为目前导航技术发展的方向之一口1 1 2 2 导航方式分类 1 天文导航 通过观测星辰日月等天体来确定航行体的位置以引导航行体沿预定航线 到达目的地的是天文导航的基本原理 天文导航的优点是导航仪器简单可靠 测定位置时不用电源 不需陆岸设备 定位精度不受离航起点距离远近的影 响等 主要缺点是不能连续定位 工作受星体可见度的限制
