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文檔簡介
1、作為一種完全自主式的導(dǎo)航方式,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)廣泛用于艦船及水下潛器等運(yùn)載體。但是,現(xiàn)有INS機(jī)械編排在極區(qū)工作時(shí)存在精度下降、平臺(tái)跟蹤北向困難等問題。特別是在極點(diǎn)附近,基于現(xiàn)有坐標(biāo)系統(tǒng)的北向定義已經(jīng)失去了意義,導(dǎo)致無法提供北向基準(zhǔn)。因此,本文針對現(xiàn)有INS機(jī)械編排存在的問題提出一種適用于極區(qū)工作的橫坐標(biāo)系捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigat
2、ion System, SINS)機(jī)械編排,并在此基礎(chǔ)上對橫坐標(biāo)系SINS和其誤差抑制技術(shù)進(jìn)行深入研究。論文研究的主要工作有:
在建立了橫坐標(biāo)系參考框架的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了橫坐標(biāo)系SINS機(jī)械編排。利用空間解析幾何推導(dǎo)了位置、速度及捷聯(lián)姿態(tài)矩陣在常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)和橫坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換公式,實(shí)現(xiàn)了SINS在不同機(jī)械編排之間的自由切換。通過對橫坐標(biāo)系SINS進(jìn)行誤差分析,確定了該系統(tǒng)中同樣含有舒勒、傅科以及地球3種周期振蕩性誤差,同時(shí)發(fā)現(xiàn)
3、橫經(jīng)度、橫緯度誤差及方位失準(zhǔn)角隨時(shí)間發(fā)散的誤差特性。
針對橫坐標(biāo)系SINS中存在的周期振蕩性誤差,利用多普勒計(jì)程儀(Dopple Velocity Log, DVL)輔助橫坐標(biāo)系SINS構(gòu)建了外全阻尼系統(tǒng)。通過對外全阻尼橫坐標(biāo)系SINS特征方程的分析,發(fā)現(xiàn)在外全阻尼橫坐標(biāo)系SINS中方位阻尼效果不僅與方位阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有關(guān)還與載體位置有關(guān),從而給橫坐標(biāo)系SINS的阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)要求。
針對DVL測速誤差會(huì)給外阻
4、尼橫坐標(biāo)系SINS帶來誤差,推導(dǎo)了DVL測速誤差和外阻尼橫坐標(biāo)系SINS誤差之間的傳遞函數(shù),進(jìn)而分析了不同形式DVL測速誤差對外阻尼橫坐標(biāo)系SINS的影響。提出了一種雙系統(tǒng)串聯(lián)外阻尼橫坐標(biāo)系SINS誤差抑制方案,利用雙系統(tǒng)外速度誤差檢測技術(shù)自動(dòng)判斷阻尼狀態(tài)切換時(shí)刻,并使用數(shù)學(xué)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度柔性切換替代傳統(tǒng)一次性切換,有效減小了DVL測速誤差對外阻尼橫坐標(biāo)系SINS的影響。
雖然利用阻尼技術(shù)可以阻尼掉橫坐標(biāo)系SINS中存在的周期
5、振蕩,但是無法抑制橫經(jīng)度、橫緯度以及航向角誤差的發(fā)散。為了解決橫坐標(biāo)系SINS誤差累積的問題,提出利用重力異常匹配輔助橫坐標(biāo)系SINS方案。在該方案中,針對重力場模型非線性及無具體解析式表達(dá)式的問題,利用粒子濾波(Partical Filter, PF)對重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合??紤]到標(biāo)準(zhǔn)PF存在粒子退化問題,對標(biāo)準(zhǔn)PF進(jìn)行了優(yōu)化。在PF框架中嵌入容積卡爾曼濾波(Cubature Kalman Filter,CKF),即利用CKF在濾
6、波當(dāng)前時(shí)刻根據(jù)量測信息得到重要性密度函數(shù),同時(shí)在CKF量測更新階段利用Gauss-Newton迭代計(jì)算獲得系統(tǒng)狀態(tài)近似極大后驗(yàn)概率估計(jì),從而減輕粒子退化速度,保證重力異常匹配精度,有效抑制了橫坐標(biāo)系SINS誤差累積。
在極區(qū)重力異常不可匹配區(qū)域,為了使橫坐標(biāo)SINS可以得到持續(xù)校正,設(shè)計(jì)了橫坐標(biāo)系SINS/重力異常匹配/DVL之間的三種不同組合模式,推導(dǎo)了3種組合模式下系統(tǒng)量測方程。針對DVL輸出受洋流影響的問題,提出了基于船
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