非线性滤波在SINS-GPS组合导航中的应用研究(2)

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4 系统仿真与分析 27

4.1 仿真系统的建立 27

4.2 仿真结果分析 28

结论 33

致谢 34

参考文献 35

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

将运动载体从起始点引导到目的地的技术或方法称为导航。在舰艇、飞机、导弹、宇宙飞船等航行体上，导航系统是必不可少的重要设备。导航所需要的最基本的导航参数就是载体的即时位置。可用于导航的设备、技术、方法有很多，导航主要可分为自主式导航和非自主式导航。天文导航、惯性导航和多普勒导航属于自主式导航；无线电导航、卫星导航等属于非自主式导航。

1.1.1 几种主要导航方式的简介

我国在古代发明的基于磁定向原理的指南针是属于原始的舰船导航仪器。后来用于飞机上的磁罗盘、陀螺磁罗盘等，也都是以磁定向并确定飞行方向的导航仪器。但这些仪器仅能提供航向等参数，对于载体的精确位置则不能直接给出。随着航天、航空、航海技术的高速发展，对于导航技术的要求也越来越高，在这个背景下一大批新的高科技导航方式得以开发。

(1)天文导航

天文导航是指根据天空中的星体在一定时刻与地球的位置具有相对固定关系这一原理，通过观测星体以确定载体位置的一种导航方法[1]。

天文导航系统通常由陀螺稳定平台来建立载体基准参考面，然后通过星体跟踪器自动跟踪两个星体从而测量星体相对于载体基准参考面的方位角与高度角，从而计算得出载体的位置和航向[2]。

天文导航具有自主性强、隐蔽性好，误差不随时间积累等优点，所以天文导航尤其是天文与其他导航的组合导航具有广泛的应用，特别在远程、高空、过极地、跨海洋的飞行任务中更具优势。天文导航的缺点是当载体在中、低空飞行或者飞行天气状况不良时，由于跟踪星体困难，从而难以圆满完成任务。

(2)惯性导航

惯性导航是以测量载体相对惯性空间的加速度和姿态为基础的导航方法，测量到的加速度通过与姿态信息相关的坐标变换，进行一次积分可以得到相应坐标系内的载体运动速度，经过两次积分可以得到相应坐标系内的载体运动距离，从而给出载体的即时速度和位置信[3][4]。惯性导航的主要缺点是导航定位误差随时间积累，优点是能在不与外界发生联系的条件下独立工作，自主性强，隐蔽性高，抗干扰力强，而且能提供全面的导航参数，所以在军事上取得了广泛的应用[5]。

惯性导航按照有无陀螺稳定平台分为平台式惯导和捷联式惯导。平台式惯导的核心部分是一个实际的陀螺稳定平台，其功能通过控制技术跟踪地理坐标系，即理论上平台的 3 个轴的指向与载体当前的东、北、天地理坐标系的3 个轴的指向重合，从而为加速度计提供了精确的安装和测量基准，使得 3个加速计的测量值正好是导航计算所需的 3 个加速度分量。

捷联式惯导直接将加速度计和陀螺仪安装在载体上，不存在实体的陀螺稳定平台，取而代之的是“数字平台”，即由导航计算机来实现其功能。捷联惯导将陀螺测量的机体坐标系的 3 个角速度通过计算机实时计算，形成由机体系到类似实际平台的“平台”坐标系转换，即可解算出姿态矩阵表达式，此姿态矩阵还能求解载体的姿态信息。以“数字平台”为基础，还能完成加速度计信号的坐标变换，从而进一步求的载体的速度、位置信息[6]。