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船用星敏感器/惯性导航系统在线标定及组合导航技术研究

张鹏  
【摘要】:随着航海技术的不断应用与发展,舰船对导航信息的精确度要求也愈来愈高。船舶导航参数的确定已经成为导航领域的关键技术,诸多敏感器均可完成导航任务。在这些姿态敏感器中,惯性导航系统因其在精度和稳定性方面的优势已得到了很广泛的应用。星敏感器作为一种高精度的姿态敏感器也逐渐得到了越来越多的应用,它能提供角秒级别的高精度载体姿态四元数信息。随着各种组合导航系统的不断应用与开发,基于以上两种传感器,以惯导系统为核心的惯性导航系统/星敏感器组合定姿系统以其高精度、抗干扰性和自主性等方面的优势更是得到了更多的重视和深入的探讨。本论文从惯导和星敏感器的基本原理出发,探讨了特殊状况下组合系统的数据融合方案和基于在线标定技术的陀螺误差补偿方案。考虑到星敏感器实际的工作环境,当星敏感器由于天气状况而无法有效获取并识别星图时,会出现短时间失效的状况。在此种情况下,引入了基于自适应模糊推理(ANFIS)的模型预测方法,在系统处于正常工作状态下进行ANFIS模型的训练,在星敏感器失效的情况下切换至备用的导航方案,实时确定导航参数的误差,提高导航的精度。误差补偿能够提高组合导航系统的精度,而误差标定是误差补偿的前提。不同于以往在上位机直接进行的的数据融合,本研究基于星敏感器直接固连于陀螺上的实际安装情况,此时不仅需要考虑惯导系统内部的各项误差源,新引入的惯导系统与星敏感器之间的安装误差项也需要被考虑。在考虑传统误差项的基础上,将新的安装误差项引入其中,建立扩维的陀螺误差模型,通过状态估计的方法对各项误差进行实时估计进而补偿,对组合系统的导航精度会有很大改善。最后基于动态实验,设计了上位机交互页面,并将在线标定算法和基于ANFIS的数据融合方案应用于系统,通过对实际数据的分析验证了两者对于提高系统精度的有效性。本文通过对惯导系统和星敏感器数据融合以及误差估计和补偿技术的研究,在基本组合方式上进行了进一步的探讨和研究,具有一定的理论基础,对于实际应用亦具有一定的指导作用。


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