论文部分内容阅读
水下导航一直是导航领域研究的热点,因为水下环境封闭、无线电信号衰减等问题使得水下可用的导航方式非常有限。而惯性导航(简称“惯导”)以其独立性、自主性、精度高以及体积小等特点,成为水下导航中较为实用的导航方式,但惯导的误差会随时间积累,因此多采用惯导与GPS/多普勒计程仪等组合的方式进行导航。本文在分析目前国内外水下导航发展现状的基础上,设计一款由捷联惯导/多普勒计程仪组成的水下导航装置,其中惯导采用捷联方式,包括三个正交的光纤陀螺仪和三个正交的石英加速度计,测量载体运动的角速度和加速度;同时采用DSP和FPGA架构的导航计算机,负责导航解算功能;而多普勒计程仪测量航行器对地或对水速度,并发送给导航计算机,最后通过信息融合的方式,实现精确的定位与导航。论文的主要研究内容:(1)完成水下光纤捷联惯性测量装置的总体方案设计。针对惯性测量装置需要实现的功能,对装置的硬件构成、软件逻辑与系统结构进行总体设计;同时对装置中的光纤陀螺仪、加速度计和多普勒计程仪等关键器件进行介绍和选型。(2)对捷联惯性测量装置的核心算法进行研究。从捷联惯导(简称“INS”)和多普勒计程仪(简称“DVL”)的原理入手,推导了捷联惯导的速度、位置、姿态的计算模型以及多普勒计程仪的测速方程,并基于此建立卡尔曼滤波器对二者的误差进行最优估计,实现对装置的反馈校正,从而输出精确的导航参数。(3)完成装置中的硬件、软件工程设计。以DSP和FPGA构成硬件核心电路,结合采样模块、供电模块、通信模块等外围电路实现硬件平台的搭建;根据搭建好的硬件平台,完成装置中的软件工程设计,主要包括FPGA端软件程序设计和DSP端软件程序设计,实现装置的数据采集、导航解算和对外通信功能。(4)完成水下光纤捷联惯性测量装置试验验证。首先对光纤陀螺和加速度计进行误差建模、补偿,包括标定试验与温度误差补偿等;然后通过室内静止试验和水下定位试验验证装置的性能、可靠性与稳定性。试验结果表明,水下光纤捷联惯性测量装置运行稳定、可靠,其航向精度优于0.1°sec?(?为当地纬度),姿态精度优于0.05°,水下定位精度优于0.2%×L(L为航行里程),具备实际工程应用价值。