水下无人航行器组合导航研究

摘   要

   传统的导航系统很难满足水下航行器精确导航定位的要求，尤其在长续航、大航程时问题尤为突出。本文结合国内外导航技术发展的实际状况和发展方向，同时考虑水下航行器使用的特殊性，设计了水下航行器组合导航系统，通过定时引入GPS导航信息，解决了捷联惯导和多普勒组合导航情况下，定位误差随时间而积累的问题，通过仿真研究，结果表明本文所研究的设计方案合理，能够效提高长续航、大航程时水下航行器的定位精度。

    全文理论研究工作和研究成果如下：

    1 水下航行器的捷联惯导系统设计。详细推理了捷联惯导系统的基本导航算法,进行了捷联惯导基本的位置、速度、姿态的公式推理。并系统分析了捷联式惯导系统的误差特性，同时建立了其误差模型方程。

    2研究了全球定位系统(GPS)和多普勒导航系统。对全球定位系统和多普勒导航系统导航定位的基本组成、导航原理进行了研究，分析了其误差来源并建立了相应的误差基本模型。

    3设计了水下航行器组合导航系统。在综合各种导航系统误差的基础上，针对长续航、大航程水下航行器的导航特点，通过航行器定时上浮接受GPS导航信息，设计了水下航行器组合导航系统。仿真结果表明在定时引入GPS导航信息后，该导航系统能够使水下航行器定位精度有很大提高，基本克服了SINS/DVL组合导航系统中定位误差随时间累积的问题。

关键词:水下航行器，捷联惯性导航，GPS，多普勒导航，组合导航

目 录

第一章  绪论 8

1.1导航系统的发展概述 8

1.2水下航行器的发展与趋势 11

1.3惯性组合导航在水下航行器中应用的背景及意义 13

1.4组合导航系统的构成方法和功能 14

1.5论文的研究内容及结构安排 15

第二章  捷联惯导系统 16

2.1引言 16

2.2坐标系及其转换 17

2.2.1坐标系定义 17

2.2.2坐标转换关系 18

2.2.3地球参数 20

2.3捷联惯导力学编排方程 21

2.3.1姿态更新算法 21

2.3.2速度更新算法 24

2.3.3位置更新算法 25

2.4捷联惯导误差分析 26

2.4.1惯性器件误差模型 26

2.4.2捷联惯导误差方程 28

2.5捷联惯导算法仿真与分析 32

2.5.1运动轨迹生成 32

2.5.2捷联惯导算法误差的仿真与分析 32

第三章  DVL和GPS卫星导航系统 36

3.1 多普勒计程仪 36

3.2 全球卫星定位系统GPS 38

3.2.1引言 38

3.2.2GPS工作原理及特点 38

3.2.3GPS导航误差来源 41

3.2.4GPS误差模型 43

3.3本章小结 44

第四章 组合导航系统 45

4.1序言 45

4.2卡尔曼滤波算法 45

4.3系统方程的离散化 47

4.4组合导航系统模型 48

4.4.1INS/DVL组合导航系统模型 48

4.5INS/GPS/DVL组合导航系统模型 51

4.5.1状态方程 51

4.5.1量测方程 53

4.6组合导航系统仿真 54

参考文献 58

致 谢 61

毕业设计小结 62