捷聯(lián)慣導系統(tǒng)傳遞對準技術(shù)及誤差補償方法研究.pdf

1、傳遞對準技術(shù)是為運動中的載體提供準確的初始基準。在瞬息萬變的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,傳遞對準技術(shù)已成功應用于艦載、機載戰(zhàn)術(shù)制導武器。而在艦載機傳遞對準中,由于載機指向不定,此時極有可能出現(xiàn)方位失準角為大角的情況;同時,海浪沖擊、載艦機動將引起船體的撓曲變形;而機載慣導與艦載慣導之間的距離較遠,撓曲變形和桿臂效應的耦合將使誤差補償問題變得更加復雜。針對上述情況,本文在比較和分析各類誤差模型、匹配方法、濾波算法及誤差補償方法的基礎上,對大方位失準角傳遞

2、對準和誤差補償技術(shù)展開研究。主要研究內(nèi)容如下:
　　首先針對傳遞對準的三個主要誤差源:慣性測量元件誤差、撓曲變形誤差和桿臂誤差建立相應的誤差模型,在此基礎上分別推導了經(jīng)典傳遞對準誤差模型和快速傳遞對準誤差模型。從速度誤差和姿態(tài)失準角的定義出發(fā),分析了兩種誤差模型中參考坐標系之間的相互關(guān)系,通過深入研究,給出了經(jīng)典傳遞對準誤差模型和快速傳遞對準誤差模型的一致性條件與適用范圍,為后面的匹配方法研究和四元數(shù)傳遞對準算法打下基礎。

3、　　匹配方法是傳遞對準技術(shù)的重要組成部分,本文深入研究速度匹配和姿態(tài)匹配。速度匹配不受到慣導類型的影響,且具備較為突出的綜合性能。針對速度匹配的可觀測性問題,在分析研究速度匹配量測與狀態(tài)變量之間關(guān)系的基礎上,提出一種更為直觀的可觀測性解析方法,并通過推導勻速直線運動下各狀態(tài)與量測多階微分的關(guān)系式驗證了該方法的有效性。當主、子慣導都為捷聯(lián)慣導時,姿態(tài)匹配成為一個重要的選擇。針對姿態(tài)匹配量測與速度誤差耦合較弱的問題,從量測量的獲取和算法復雜

4、度出發(fā),深入研究了姿態(tài)角匹配、姿態(tài)矩陣匹配和量測失準角匹配。在不同機動條件下對速度匹配和速度+姿態(tài)匹配進行了仿真驗證。
　　深入研究大失準角傳遞對準中的非線性濾波算法。針對系統(tǒng)狀態(tài)維數(shù)較高的問題,在比較分析兩種單形采樣策略的基礎上選取超球體采樣策略,降低了sigma點數(shù)量,提高算法實時性。同時為提高非線性濾波算法的計算穩(wěn)定性,結(jié)合平方根UKF濾波算法,提出了超球體采樣SRUKF對大失準角傳遞對準下的非線性系統(tǒng)進行估計。并通過艦載機

5、大方位失準角傳遞對準仿真分析驗證所提算法的有效性。
　　針對歐拉角法在大失準角傳遞對準問題中存在的奇異性、運算繁瑣等問題,引入非奇異、精度高和計算簡單的姿態(tài)四元數(shù)法。在定義姿態(tài)誤差四元數(shù)的基礎上,首先推導得到四元數(shù)經(jīng)典傳遞對準誤差模型和四元數(shù)快速傳遞對準誤差模型。與“速度+姿態(tài)”匹配相對應,深入研究四元數(shù)量測失準角匹配并給出量測方程。在該匹配方法中,量測量由主、子慣導的即時修正四元數(shù)相乘得到。得到四元數(shù)非線性誤差模型的基礎上,對四

6、元數(shù)傳遞對準UKF算法進行研究。其中,針對四元數(shù)UKF中的四元數(shù)協(xié)方差陣奇異問題,利用誤差四元數(shù)中非冗余的狀態(tài)誤差矢量作協(xié)方差陣運算,并根據(jù)UT變換作適當改進。同時,針對四元數(shù)加權(quán)均值的規(guī)范性問題,利用姿態(tài)參數(shù)切換和特征值向量求解的方法進行解決。后者在構(gòu)造四元數(shù)代價函數(shù)的基礎上,通過特征向量求解獲得MMSE下的四元數(shù)加權(quán)均值,避免了姿態(tài)參數(shù)切換引起的實時性和數(shù)值穩(wěn)定性下降問題。最后針對擴維濾波中采樣點數(shù)量增加和高階誤差方差陣的平方根運算

7、問題,引入超球體采樣和平方根濾波思想,提出了四元數(shù)SSRUKF濾波。大方位失準角下的仿真實驗證明了四元數(shù)傳遞對準算法的有效性。
　　針對撓曲變形噪聲補償法中噪聲方差難以確定的問題,深入研究描述撓曲變形的Markov過程的統(tǒng)計特性,并給出計算方法。在此基礎上對撓曲變形角與桿臂效應的耦合問題進行定量分析,并將其統(tǒng)一等價為噪聲補償問題。針對噪聲補償法無法實時跟蹤外界變化的問題,引入極大似然法及強跟蹤濾波算法。其中,Sage-Husa自適