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《哈尔滨工程大学》 2010年
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惯性导航系统传递对准技术关键问题研究

丁国强  
【摘要】: 本文从研究舰船舰载机惯性导航系统初始对准技术实际要求出发,针对舰载机惯性导航系统海上对准问题建立可适用于大失准角情形的速度姿态匹配传递对准非线性误差模型进行惯性导航系统快速传递对准技术研究;基于Bayesian最优估计理论和Sigma-Points确定性采样数值逼近方法研究新型非线性Sigma-Points滤波算法替代传统的卡尔曼滤波算法来建立舰船舰载机快速传递对准非线性误差模型滤波算法,并对快速传递对准模型及其算法实现中的几个关键问题进行深入研究。 在详细分析Baysian最优估计理论的Gauss-Hermite数值积分逼近原理及其积分逼近滤波算法基础上,研究Sigma-Points非线性滤波理论中的Unscented Transformation滤波算法、中心差分滤波算法与Gauss-Hermite数值积分逼近滤波算法间的结构关系。基于二阶Stirling多项式插值逼近理论的插值滤波(CDDF2)算法结构分析以及与UKF算法对比研究,建立适当选取Sigma-Points点集的中心差分滤波(CDKF)算法。并且进一步讨论了UKF和CDKF算法的加性噪声形式(ACDKF)和平方根形式(SRCDKF)的扩展算法。通过对Sigma-Points滤波算法结构分析,揭示了Sigma-Points滤波算法隐含的统计线性化的加权统计线性递归思想;进而对Sigma-Points滤波算法的后验均值和后验估计方差的估计精度进行了理论研究分析。 阐述惯性导航系统原理及其输出信息解算方法,推导了平台式惯性导航系统与捷联式惯性导航系统输出信息的转化关系式。基于传统的PWCS可观测分析理论和方法研究,依据矩阵谱条件数和扰动理论进行了传统快速传递对准线性误差模型的谱条件数可观测性和可观测度分析,并且针对传统快速传递对准线性误差模型算法进行了不同机动条件下的仿真研究,为新型快速传递对准误差模型及其机动方案选择提供理论依据。 基于高阶Cayley变换原理详细研究分析四元数、Rodrigues参数和修正Rodrigues参数等载体姿态描述方法以及它们之间的统一性关系,为建立四元数加权均值计算和修正Rodrigues参数加权均值间接计算方法提供理论依据,也为姿态描述方法研究开辟新的途径。基于乘性四元数提出了惯性导航系统传递对准乘性四元数误差模型改进算法;基于四元数误差量与乘性四元数的关系提出了惯性导航系统传递对准加性四元数误差模型改进算法;基于舰船运动中舰载机姿态运动特点和修正Rodrigues参数姿态描述方法提出了惯性导航系统传递对准修正Rodrigues参数误差模型。这三种传递对准速度姿态匹配算法为快速传递对准技术开辟了新的研究方向。 基于舰载机海上对准实际特点详细分析了舰船主惯性导航系统可能存在的姿态误差及其对舰载机惯性导航系统传递对准的影响及其相应的处理方法;分析了杆臂效应误差对主、子惯性导航系统速度误差的影响,并利用杆臂效应误差计算补偿法对传递对准系统速度误差进行补偿研究。利用ACDKF算法以及SRCDKF算法对三种快速传递对准非线性误差模型进行舰载机惯性导航系统海上对准仿真研究。仿真分析了杆臂效应误差、主惯性导航系统初始姿态误差和速度误差以及舰船摇摆幅度等因素对三种快速传递对准非线性误差模型姿态失准角估计结果的影响,从而验证本文提出的三种适用于大角度失准角情形的快速传递对准算法的有效性,为合理选择对准模型和滤波器算法提供了理论依据,也为是否补偿杆臂效应误差和如何选择IMU组件以及对应的对准模型提供了合理依据。仿真结果表明海上对准中改进的乘性四元数模型算法和改进的加性四元数模型算法都可以快速估计出方位失准角大小,具有和水平失准角同样的收敛速度,修正Rodrigues参数误差模型的估计收敛速度最快,这是以往的对准技术所不及的。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U675.73

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