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1、北京航空航天大学学位论文无人机DGPS/INS下滑着陆引导系统的仿真与试验研究摘 要本文以北京航空航天大学某型号无人机的研制为背景，研究目标是设计一种安全可靠且高精度的DGPS/INS下滑着陆引导系统，并通过仿真和试验验证所设计的着陆引导系统能够满足无人机下滑着陆的要求。本文围绕着无人机DGPS/INS下滑着陆系统做了以下几个方面的研究：一、 无人机DGPS/SINS组合导航系统的仿真研究。文中建立了DGPS/SINS组合导航系统的数学模型，利用轨迹发生器分别对反馈校正以及输出校正两种组合方式下的组合导航系统进行了数字仿真。验证了DGPS系统辅助SINS引导无人机下滑着陆的可行性。二、 无人机
2、DGPS/INS组合导航系统实验室物理静态试验研究。在数字仿真的基础上，作者研究了组合导航系统物理试验的方法和实时计算软件，并利用试验室环境进行了DGPS/INS组合导航系统的物理静态试验，文中给出了了输出校正组合方式下的试验方法和试验结果，验证了组合导航系统的可靠性和精度。三、 无人机DGPS/INS组合导航系统跑车试验研究作者研究了组合导航系统跑车试验的试验方法，利用机场跑道环境，建立了DGPS地面站，并在此基础上进行了跑车验证试验，进一步验证了所设计的DGPS/INS组合导航系统的可靠性和精度能够满足引导无人机下滑着陆的要求。本文的研究表明：DGPS/INS组合导航引导系统能够满足国际民
3、航组织规定的级进近着陆的横侧向精度要求。此外本文所研究的几种组合导航系统的试验方法已经在某型号无人机DGPS/INS组合导航系统的研制过程中得到应用，充分验证了组合导航系统的性能及可靠性。关键词：全球定位系统（GPS），惯性导航系统（INS），组合导航，着陆STUDY OF UAV LANDING AND INDUCTING SYSEMAuthor : Bo TianTutor : Zhongxing CuiYangzhu WangABSTRACTBased on the research work of an unmanned aero vehicle(UAV)，the principal
4、target of the study in the dissertation is to provide a safety credible and precise integrated DGPS/INS navigation system for UAVs entering the airport, gilding and landing.Several kinds of experiments are made to validate the positioning precision of this navigation system. The dissertation is arra
5、nged in order to achieve theory study and engineering utility.The study of DGPS/INS navigation system in the dissertation comprise contains contents which are summarized as follows:1. Digital simulation study of DGPS/INS navigationg systemThe theory and the mathematical models of this integrated DGP
6、S/INS navigation system is described , and the dynamic equations for the integrated system and the equations for the kalman filter are also setup. With the given airplan trace,the digital simulation analysis to integrated system are performed with the help of digital computer using the theory of out
7、put-correction Kalman filter or feedback-correction Kalman filter.The result shows that the integrated INS/DGPS navigation system can conform to the requirements of UAV s landing, even if the INS syetem has low accuracy .2. Static physical experiments for the DGPS/INS navigation systemBased on digit
8、al simulation,the study of real time arithmetic and software is discussed.The theory and method of the static physical experiments for the DGPS/INS navigation system is described ,and then the static physical experiments are performed to validate the positioning precision of the INS/DGPS navigation
9、system.The result shows that the navigation system has well performance.3. Dynamic physical experiments on the DGPS/INS navigationg systemThe theory and method of the dynamic physical experiments on the DGPS/INS navigation system is described. And then using a special car carrying the whole DGPS/INS
10、 navigation system and running along the runway as an UAV flying in the sky,the dynamic physical experiments are performed under the airdrome environment.The result all the more validates that the positioning precision and reliability of the INS/DGPS navigation system can conform to the requirements
11、 of UAV s entering the airport, gilding and landing.The results of all the researches show that the integrated DGPD/INS navigation and inducting system can fulfill class landing precise requirement of ICAO. The innovation work of this dissertation has been used in the research work of a certain type
12、 of UAV .Key Words: GPS, INS,integrated navigation, landing目 录第一章 绪论11.1 研究工作的背景和意义11.2 DGPS用于进场着陆的可行性分析11.2.1精密进近的精度标准21.2.2完善性要求21.2.3功能的连续性31.2.4 DGPS/INS性能分析31.3 DGPS/INS进场着陆引导系统的试验验证31.3.1全数字仿真试验31.3.2实验室静态物理试验31.3.3跑车试验4第二章 DGPS/SINS组合导航系统数字仿真52.1 数字仿真概述52.2 SINS系统设计52.2.1 SINS系统基本原理简介52.2.2 坐
13、标系定义72.2.3位置矩阵和捷联矩阵的即时修正102.2.4 捷联惯导力学编排142.3 DGPS/INS组合导航系统误差模型202.3.1速度误差模型202.3.2 位置误差模型212.3.3 平台误差角方程222.3.4 惯性仪表误差模型242.3.5 GPS信号误差模型252.4 DGPS/INS组合导航系统卡尔曼滤波器设计252.4.1 组合导航系统中卡尔曼滤波器的应用252.4.2 卡尔曼滤波器结构设计282.5 DGPS/INS组合导航系统数字仿真以及结果分析362.5.1 DGPS/INS组合导航系统数字仿真软件流程362.5.2 DGPS/INS组合导航系统数字仿真及结果39
14、2.6 DGPS/INS组合导航系统数字仿真结论48第三章 DGPS/SINS组合导航系统实验室静态物理试验493.1实验室静态物理试验原理简介493.2差分GPS系统实现493.2.1 差分GPS原理简介493.2.2 差分GPS硬件实现543.3 输出校正方式所采用的惯性导航系统553.4 综合卡尔曼滤波导航计算机553.5 算法553.6 DGPS/INS组合导航系统的实验室静态物理试验及结果分析56第四章 DGPS/SINS组合导航系统跑车试验584.1 跑车试验原理简介584.2 跑车试验系统硬件组成594.3 领航参数解算594.4 跑车试验结果及分析61结论65参考文献66致谢7
15、0硕士期间发表的论文及研究成果71主要符号表VI地理纬度经度高度航向角俯仰角横滚角地球椭圆度克拉索斯基参考椭球长半径参考椭球赤道的理论重力加速度地球自转角速度导航坐标系中的速度误差纬度误差经度误差高度误差平台误差角侧偏距侧偏移速度地球椭球模型长半轴长地球椭球模型短半轴长当前点地心纬度机体坐标系内陀螺随机常值漂移某点当地地理坐标系东方向的单位矢量某点当地地理坐标系北方向的单位矢量某点当地地理坐标系天方向的单位矢量北京航空航天大学学位论文第一章 绪论1.1 研究工作的背景和意义下滑着陆是无人机自动控制、自主起降中最为关键的技术环节，而高精度的导航和引导系统是无人机实现自动安全着陆的重要保证。研究精确安全的着陆引导方法和设备历来是航空界的一个重要研究领域1。对于下滑着陆系统，不仅有精度上的严格要求，而且在完善性、连续性和可用性上也有着严格的要求34。纵观国内外过去以来一直使用的着陆引导系统主要有仪表着陆系统（ILS）和微波着陆系统（MLS）两种，这两种着陆引导系统在引导精度和
