本文選題：宇航員導航 + 零速修正��； 參考：《河南大學》2015年碩士論文

【摘要】：隨著我國航天運載技術(shù)取得了舉世矚目的成就,現(xiàn)在已接近世界先進水平。中國登月,將標志著我們的活動范圍擴展到了宇宙空間。登月宇航員在月面的導航定位是國際深空探測領(lǐng)域技術(shù)的前沿課題。在載人登月任務中,宇航員導航定位系統(tǒng)是保證宇航員安全、高效地完成任務的關(guān)鍵所在。準確的位置信息可以幫助宇航員更加快速地找到科學目標,并安全回到返回艙直至返回地球。月球表面的環(huán)境限制了一些在地球上常用的定位服務(例如全球定位系統(tǒng)Global Positioning System,簡稱GPS)及傳感器設(shè)備(例如磁力計)的使用。同時由于缺乏熟悉的參照物,人眼視覺很難辨別距離和大小,所以在空間上很容易迷失方向。因此,宇航員月面導航定位系統(tǒng)要比地球的行人導航困難的多。本論文借鑒地球的行人導航定位,在月面宇航員導航定位中采用慣性測量元件(Inertial Measurement Unit,簡稱IMU)。IMU具有全天候、不受外界影響、數(shù)據(jù)更新快,短時間內(nèi)定位結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點,因此適用于在行星表面上等無GPS信號環(huán)境下進行導航定位。通過IMU獲得的測量數(shù)據(jù),可以輸出高頻率的位置和姿態(tài)信息。實際上這種推算方法隨著時間的積累存在嚴重的漂移,不能直接用于導航定位應用中。在導航領(lǐng)域,零速修正(Zero Velocity Update,簡稱ZUPT)是一種常見的通過約束行走或開車時的瞬時零速度來抑制慣性傳感器誤差累積的方法。應用于行人導航時,檢測腳著地的時刻并將此時運動速度置為0,通過輸入該觀測量至導航解算中,從而實現(xiàn)對IMU定位誤差的抑制,提高定位解算穩(wěn)健性與精度在本研究中,我們通過實驗評估了采用ZUPT算法的宇航員導航定位,在不同運動模式下的精度,以及在探討了ZUPT算法在長時間下導航的可行性。實驗中我們將一個低精度的IMU安裝在腳背上。經(jīng)過初始對準后,通過自動檢測運動狀態(tài)下的零速度狀態(tài),并將此時的速度置為0,經(jīng)過濾波器的反饋補償,最終校正了漂移誤差。實驗是在不同硬度的陸地以及模擬微重力環(huán)境的水下,采用不同運動模式,如行走、跳躍,沿著不同的路徑完成的。通過在模擬月面地形及微重力環(huán)境的實驗,對多種運動模式下ZUPT定位方法的有效性與精度進行了評價。實驗結(jié)果表明該方法適用于月面環(huán)境中宇航員各類運動狀態(tài)下的導航定位,在硬地和沙地等環(huán)境中的定位精度均優(yōu)于2.3%,水下模擬微重力環(huán)境中的定位精度優(yōu)于3.1%。
[Abstract]:With the achievement of spaceflight transportation technology in China, it is close to the advanced level in the world. China's lunar landing will mark the expansion of our range of activities into space. The navigation and positioning of landing astronauts on the lunar surface is the frontier of the international deep space exploration technology. In the mission of manned lunar landing, the astronaut navigation and positioning system is the key to ensure the astronauts to complete the mission safely and efficiently. Accurate location information can help astronauts find scientific targets more quickly and safely return to the capsule until they return to Earth. The lunar surface environment limits the use of some commonly used positioning services on Earth, such as GPS (Global Positioning system (GPS) for short) and sensor devices (such as magnetometers). In addition, due to the lack of familiar reference objects, it is difficult for human vision to distinguish distance and size, so it is easy to lose its direction in space. As a result, the astronauts' lunar navigation and positioning system is much more difficult than the Earth's pedestrian navigation. In this paper, the inertial Measurement unit (IMU).IMU), which is used for navigation and positioning of lunar astronauts, has the advantages of all-weather, no external influence, fast data updating, and stable positioning results in a short period of time, for reference to the pedestrian navigation and positioning of the earth. Therefore, it is suitable for navigation and positioning in the environment without GPS signal on the surface of the planet. The measurement data obtained by IMU can output high frequency position and attitude information. In fact, this method can not be directly used in navigation and positioning applications because of its serious drift with time accumulation. In the field of navigation, Zero Velocity Update (ZUPT) is a common method to restrain the error accumulation of inertial sensors by restricting the instantaneous zero velocity while walking or driving. When applied to pedestrian navigation, the foot landing time is detected and the motion velocity is set to 0. By inputting the observation into the navigation solution, the IMU positioning error can be suppressed, and the robustness and accuracy of the positioning solution can be improved in this study. Through experiments, we evaluate the navigation accuracy of astronauts using ZUPT algorithm and the accuracy in different motion modes, and discuss the feasibility of navigation with ZUPT algorithm for a long time. In the experiment, we installed a low-precision IMU on the instep. After initial alignment, the zero velocity state in the moving state is automatically detected, and the velocity is set to zero. Finally, the drift error is corrected by the feedback compensation of the filter. The experiment was carried out on land of different hardness and underwater in simulated microgravity environment. Different motion modes, such as walking, jumping and following different paths, were adopted. The effectiveness and accuracy of the ZUPT positioning method in various motion modes are evaluated by experiments in the simulation of lunar topography and microgravity environment. The experimental results show that this method is suitable for navigation and positioning of astronauts in lunar environment. The positioning accuracy is better than 2.3 in hard ground and sand environment, and the positioning accuracy in underwater simulation microgravity environment is better than 3.1.
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448;V527

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本文編號：1942210