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CNS/GNSS/INS高精度船载实时定姿系统算法设计与实现
| 论文题名： | CNS/GNSS/INS高精度船载实时定姿系统算法设计与实现 |
| 关键词： | 船载导航系统;实时定位;姿态解算;惯导初始对准;误差补偿;静态角度位置标定 |
| 摘要： | 针对目前海上实时姿态测量缺少高精度方案的问题，研究了船载高精度天文/卫星/惯性（CNS/GNSS/INS）组合导航信息融合技术和算法，并结合实际工程中存在的惯导初始对准缓慢、数据延迟和系统安装误差问题，提出了相应的改进方案。 首先，针对在大幅摇摆状态下传统惯导自对准方法不适用的问题，使用了重力矢量积分间接对准方法，推导、建立了大摇摆基座下的捷联惯导初始对准方程，并给出详细的导航参数计算步骤，提高了船载导航系统在大幅摇摆状态下的初始对准的精度。同时针对海上航行时动基座对准耗时较长的问题，设计了一种利用GNSS辅助定向动基座算法，在较短时间内将惯导姿态修正到角分级精度，完成海上初始对准。 其次，提出了一种CNS/GNSS/INS高精度实时定位定姿框架，使用GNSS接收机的授时功能为CNS和INS传感器数据建立了统一时间基准。a）针对实际工程应用中存在的CNS数据延迟问题，对缓存的观测修正滤波矩阵参数更新后再进行状态转移，以此来降低CNS量测数据延迟带来的对姿态误差的影响。b）针对大幅摇摆条件下，小视场星敏感器因惯导数据时延而造成的搜星能力降低的问题，研究了一种等角速度姿态外推方法，补偿惯导提供给星敏感器的参考姿态，以保障星敏相机在恶劣海况时的实时搜星能力。c）考虑到实际工程中CNS与INS之间存在安装角度误差，分析了安装误差对姿态测量精度的影响，并提出了一种静态角度位置标定法，给出了详细的标定方案。 最后，将本文提出的CNS/GNSS/INS实时定位定姿算法在船载高精度定姿系统软硬件平台上完成了软件搭建和实现，针对陆上试验和海上试验场景进行验证。陆上试验表明，静态测试和动态测试的姿态最大误差均在25角秒以内，且CNS/GNSS/INS三组合解算姿态精度明显优于GNSS/INS两组合，其连续性和稳健性明显优于CNS，满足高精度姿态测量指标要求（姿态误差最大30角秒以内）。海上试验表明，本文提出的三组合信息融合能够使用CNS有效修正惯导姿态，其结果遵循自洽性；GNSS辅助INS初始对准方法能够在10分钟内收敛到角分级别，海上启动方案具备可行性；且同时验证了GNSS/INS具备长时间姿态精度稳定不发散的能力，并在观星环境良好时，能够及时让天文导航恢复工作，大大提高了三组合系统在航行全程中的精度和鲁棒性。 |
| 作者： | 程风 |
| 专业： | 大地测量学与测量工程 |
| 导师： | 牛小骥 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉大学 |
| 学位年度： | 2019 |
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