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原文传递基于惯性测量单元的船用星敏感器定位/定姿方法研究

论文题名：	基于惯性测量单元的船用星敏感器定位/定姿方法研究
关键词：	船用星敏感器;惯性测量单元;位置误差;姿态精度
摘要：	星敏感器（Star sensor）也被称作星跟踪器（Star tracker），它利用Charge-coupled Device作为其图像传感器,通过对天空中星图图像的拍摄和处理，直接输出星敏感器坐标系相对于天球坐标系的姿态，不需要外部信息作为辅助信息。星敏感器因为其定姿精度高、没有误差积累、独立自主不受人为因素影响等突出的优势成为各国导航领域研究的热点，其在现代高科技战争中具有极高的应用价值，因此被广泛应用于舰艇、飞机、导弹和空间飞行器等。　　星敏感器不需任何外部信息便可自主确定其相对于惯性空间的姿态，然而对于舰船这一应用对象仅确定相对于惯性空间的姿态是不够的，更关注的是载体坐标系相对于地理坐标系的导航信息，这就使得应用于舰船的星敏感器在确定相对于地理系的位置和姿态时要依赖于外部提供的信息，SINS一般作为信息提供系统。船用星敏感器在同一时刻只能完成定姿或者定位一种导航方式，不能同时获得相对于地理系的姿态和位置信息即船用星敏感器在已知水平姿态基准的条件下，可确定舰船的地理位置，即实现了船用星敏感器的定位；在已知实时地理位置信息的条件下，可确定舰船的水平姿态和真北航向，即实现了星敏感器的定姿。船用星敏感器在定位和定姿时对水平基准和地理位置信息的高度依赖，使得其导航信息精度严重依赖于惯性导航系统输出信息的精度。然而由于舰船航行时间较长，捷联惯导系统误差随时间积累的缺陷使其提供的水平基准和地理位置信息无法满足船用星敏感器的需求，捷联惯导的系统误差将影响船用星敏感器地理系下的导航精度，所以需要降低星敏对SINS信息的依赖或者对星敏输出数据进行后期处理，进而减少捷联惯导系统误差对船用星敏地理系下导航精度的影响，从而提高船用星敏感器的定位/定姿精度。　　本论文以惯性测量单元为船用星敏感器地理系下的定姿和定位提供外部辅助信息为切入点，围绕船用星敏感器在定姿和定位时出现的问题进行分析研究。首先介绍捷联惯导系统、天文导航系统和惯性/天文组合导航系统的国内外研究与发展现状；简要介绍舰船导航常用坐标系以及星敏感器惯性系测姿的基本原理和常用算法，重点给出船用星敏感器地理系下定姿和定位的基本原理，并结合捷联惯导系统的误差传播特性提出捷联惯导误差会耦合到船用星敏感器地理系导航信息中的问题；针对船用星敏感器地理系姿态受捷联惯导位置误差影响这一问题，推导捷联惯导误差与星敏感器地理系姿态误差的关系，利用Kalman滤波对星敏感器地理系姿态误差进行估计和修正，降低惯导位置误差对星敏感器地理系下姿态精度的影响，使得星敏感器的地理系姿态精度得到显著提高；最后，重点分析捷联惯导水平基准误差对船用星敏感器地理系下定位精度的影响，根据惯性系下重力矢量具有“slow drift‖的特点，结合船舶海上航行的实际情况设计自适应数字滤波器对加速度计采集信息进行提取，利用惯性系下的重力信息确定精度高稳定性好的水平姿态基准，进而提高了船用星敏感器地理系的定位精度，避免了星敏感器定位时对捷联惯导系统水平基准的高度依赖，极大地满足了舰船海上长时航行对定位长时稳定的要求。
作者：	林萌萌
专业：	导航、制导与控制
导师：	高伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文