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极区SINS/DVL/CNS组合导航技术研究

摘要

极地地区高精度导航技术在极地资源开发、商业合作发展、军事安全保障、科学调

查研究等方面具有重要意义。然而，由于复杂地理环境因素导致常规坐标系不适用极地

地区、单一导航方式难以满足极区高精度导航需求，因此，本文研究横坐标系下组合导

航技术。多普勒测速仪（DopplerVelocityLog，DVL）的定位误差不随时间发散，可应

用于船舰组合导航位置误差抑制。关于捷联惯性导航系统（StrapdownInertialNavigation

System,SINS）与DVL组合导航方法得到广泛应用，本文在此基础上加入天文导航系统

（CelestialNavigationSystem，CNS），CNS具有自主性、抗干扰能力强特点。但是星敏

感器所摄星图易受器件、环境以及高机动状态影响。为满足高精度、高可靠性的导航应

用需求，本文提出了复杂噪声干扰下的星图去噪算法以及CNS高精度姿态测量算法。此

外，为解决卡尔曼滤波器算法在极地区域组合应用缺陷问题，进行了多源数据最优融合

算法研究，从而实现基于横坐标系的极区高精度组合导航。本文主要研究工作如下：

针对气象环境、器件噪声以及舰船高机动状态而导致星敏感器所摄星图受复杂噪声

干扰的问题，本文提出了一种适用于复杂噪声干扰的舰船星图去噪方案。通过分析噪声

来源以及噪声特性，结合不同噪声去噪算法的研究，充分考虑了不同算法之间的相互影

响与制约，针对性地提出了有效的去噪算法。该算法在去噪的同时保护了星点细节与边

缘，且能够在强噪声干扰与高机动运动模糊的情况下获取星点信息，与传统去噪算法相

比，本文去噪算法具有更高的峰值信噪比（PeakSignal-to-noiseRatio，PSNR）值。

针对天文导航试验成本高、受天气限制等问题，以船用星敏感器CNS为对象，构建

舰船航行参数模拟器、星图模拟和导航参数解算等模块在内的数字式天文导航仿真系

统。在系统构建过程中，基于星图成像原理和第3章星图噪声分析反演获得星敏感器模

拟星图。同时，考虑了天球坐标系与地球坐标系转换过程中对姿态精度的影响因素，从

而实现了天文导航高精度姿态解算。通过仿真结果表明，该系统能够模拟不同质量的星

图，并在不同应用场景下实现数字式天文导航系统的模拟。这不仅降低了成本，也满足

了不同导航任务需求，并且为后续组合导航技术的研究奠定了基础。

针对横坐标系下SINS位置误差和航向角误差随时间增加而发散以及组合导航过程

中的非线性问题，在DVL测速原理和误差分析的基础上，本文给出了一种基于无迹卡尔

曼滤波(UnscentedKalmanFilter,UKF)的多传感器数据最优融合方法，用于

SINS/DVL/CNS的非线性系统模型集成。通过分析不同传感器的误差特性，并建立系统

状态方程以及各子系统量测方程，并基于UKF原理实现局部最优的状态估计。最后基于

线性最小方差原理最优数据融合方法，实现了全局最优状态估计。通过实际数据进行验

证表明，所提出的传感器信息融合算法提供更高的导航信息精度，可满足极区高精度导

哈尔滨工程大学硕士学位论文

航应用需求。

关键词：横坐标系；星图去噪；天文导航；无迹卡尔曼滤波；极区组合导航

极区SINS/DVL/CNS组合导航技术研究

ABSTRACT

Thehigh-precisionnavigationtechnologyinpolarregionsiscrucialfortheexploitationof

polarresources,developmentofcommercialcooperation,militarysecurity,andscientific

investigation.However,duetocomplexgeographicalfactors,theconventionalcoordinate

systemisnotsuitableforpolarregionsandasin