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平流层飞艇导航系统算法研究

作者：徐慧娟 Publish: 2007-10-18 Hits:-

【中文题名】

平流层飞艇导航系统算法研究

【英文题名】

【学科专业】

控制科学与工程

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-10-18

【中关键词】

平流层飞艇,组合导航,UKF,联邦滤波,初始对准,故障检测

【英关键词】

stratospheric airship,integrated navigation,UKF,federated filter,initial alignment,exception detection,

【分类导航】

工业技术>无线电电子学、电信技术>无线电导航>各种体制的导航系统>>

【论文摘要】

平流层飞艇是一种利用氦气等作为升力的飞行于平流层区域的飞行器,具有消耗能量小、飞行距离远、滞空时间长等特点,在军用和民用领域具有广泛的应用前景。飞艇要实现准静止和常驻空的自主飞行,就必须配备自主性强、精度高、可靠性好的导航系统。论文从飞艇导航系统的要求出发,对平流层飞艇导航系统技术算法进行了研究。论文主要以卡尔曼滤波为基础,设计了基于UKF的联邦滤波导航算法,对飞艇进行了初始对准技术研究和系统级故障检测研究。首先根据平流层飞艇的精度指标选择了导航系统的硬件,并设计了组合导航方案。然后介绍了联邦滤波器和UKF滤波器,提出了基于UKF的联邦滤波器的设计,并对这种滤波方法进行了仿真验证,这是本文的创新点。仿真结果表明,该组合导航系统能达到相应的精度指标要求。此外,对UKF在初始对准中的应用进行了研究,建立了初始对准方程,进行了可观测性和可观测度分析,并设计了飞行方案对初始过程进行了仿真,仿真结果表明转弯飞行是初始对准最佳机动方案。对联邦滤波器中的系统级故障检测进行了初步研究,设计了故障检测方案并进行了仿真,仿真结果表明该故障检测方案能有效地检测出系统级软、硬故障。

【论文题纲】

摘要	5-6
ABSTRACT	6-7
第一章绪论	7-11
1.1 概述	7-9
1.2 课题研究的背景和目标	9-10
1.3 论文的纲要	10-11
第二章组合导航方案设计	11-19
2.1 指标分析	11
2.2 系统硬件分析	11-16
2.2.1 惯性导航系统（INS）	11-13
2.2.2 地磁导航系统（GNS）	13
2.2.3 GPS系统（GPS）	13-14
2.2.4 北斗定位系统（BD）	14-15
2.2.5 大气数据系统（ADS）	15
2.2.6 雷达高度计（RHS）	15-16
2.3 组合导航	16-17
2.3.1 组合导航系统的设计模式	16-17
2.3.2 容错组合导航	17
2.4 平流层飞艇组合导航方案设计	17-18
2.5 本章小结	18-19
第三章基于UKF的联邦滤波器设计	19-44
3.1 坐标系及其转换关系	19-22
3.1.1 各坐标系的定义	19
3.1.2 各坐标系之间的转换关系	19-21
3.1.3 四元数误差和姿态角误差转换关系	21-22
3.2 UKF滤波	22-27
3.2.1 UT变换	22-23
3.2.2 UKF滤波算法的实现	23-25
3.2.3 连续系统的离散化问题	25
3.2.4 UKF与EKF比较	25-27
3.3 联邦滤波理论	27-36
3.3.1 系统描述	27-28
3.3.2 集中卡尔曼滤波器和联邦卡尔曼滤波器的结构	28-30
3.3.3 联邦滤波算法原理	30-31
3.3.4 联邦滤波算法的最优性及其数学证明	31-33
3.3.5 动态自适应信息分配方法	33-35
3.3.6 联邦滤波的特点	35
3.3.7 基于UKF的联邦滤波器	35-36
3.4 各子系统模型	36-38
3.4.1 公共参考系统INS	36-37
3.4.2 GPS/INS子系统	37
3.4.3 ADS/INS子系统	37-38
3.4.4 GNS/BD/RHS/INS子系统	38
3.5 仿真分析	38-43
3.5.1 飞行轨迹的设计	38
3.5.2 各传感器输出数据的模拟	38-42
3.5.3 仿真初始条件	42
3.5.4 仿真结果与分析	42-43
3.6 本章小结	43-44
第四章初始对准应用	44-51
4.1 捷联惯导系统初始对准原理	44
4.2 SINS初始对准方程	44-45
4.3 可观测性和可观测度的分析	45-49
4.3.1 系统状态的可观测性分析	46-48
4.3.2 系统状态的可观测度分析	48-49
4.4 对准数字仿真	49-50
4.4.1 仿真模型	49
4.4.2 仿真结果	49-50
4.5 本章小结	50-51
第五章组合导航系统故障检测	51-59
5.1 状态χ~2 检验法	51-54
5.2 残差χ~2 检验法（新息法）	54
5.3 系统级故障检测的方案设计及仿真结果分析	54-58
5.3.1 系统级故障检测的方案设计	54-55
5.3.2 检测门限的选取	55
5.3.3 故障的设置	55
5.3.4 仿真结果及分析	55-58
5.4 本章小结	58-59
全文总结	59-60
致谢	60-61
参考文献表	61-65
附录作者在攻读硕士学位期间发表的论文	65

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.356696



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