旋转方位和大失准角下的捷联惯导初始对准算法研究

【摘要】： 惯性导航系统具有完全自对准的特点,其初始对准精度和对准时间直接影响惯性导航系统的工作精度和反应时间。因此,对准精度和对准速度是惯性导航初始对准中的两个重要指标。论文对进一步提高捷联惯性导航系统初始对准精度和速度的方案和算法进行研究,对提高捷联惯性导航系统的性能具有重要意义。 论文针对捷联惯导系统静基座对准时可观测性差的特点,提出了连续旋转方位轴式的初始对准方案。采用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值分解分析方法,分析了不同角运动对系统可观测性的影响,并定量地比较了不同对准方式中的系统状态的可观测度。在粗对准后失准角为小角量的情况下,进行了不同对准方式的仿真对比研究,结果表明连续旋转方位轴式初始对准对方位失准角的估计精度较二位置对准方式提高了一倍。 为减少对准时间,论文提出了捷联惯导系统直接在大失准角下的初始对准方案,研究了适用于大失准角对准中的非线性误差模型和滤波算法。根据捷联惯导系统在大失准角下的姿态误差方程,推导了基于加性四元数的系统误差模型,仿真结果表明该误差模型适用于三个失准角都为大角度的初始对准系统。针对捷联惯性导航系统初始对准中的线性观测方程提出了简化的平淡卡尔曼滤波(UKF)算法,并与扩展卡尔曼滤波(EKF)进行了初始对准仿真对比研究,结果表明UKF的收敛速度和精度均好于EKF。 在理论分析与仿真验证的基础上,论文采用分布式系统结构设计开发了捷联惯导初始对准仿真软件,为捷联惯导初始对准方案的研究、验证提供了有效的研究手段和环境。