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水下运载器惯性测量数据解算及误差分析

张蕊  
【摘要】:在现代海战中,飞航式导弹对潜艇是一次革命,它使潜艇既具备了远程反舰与反潜作战能力,也具有了对陆上目标的攻击能力。飞航式导弹借助于鱼雷管,靠水下运载器送出水面攻击目标。为了保证导弹能精确地打击目标,对运载器的水下发射弹道以及出水姿态、位置等参数有严格的要求。对于不同的发射弹道,可能需要在多次实航试验中,对控制参数不断调整才能达到最优效果。因此,本文提出,在实航试验时,采用惯性测量器件IMU对水下运载器从离开发射管到出水的角速率和加速度信息进行测量和储存,并在计算机上对惯性测量数据进行事后解算,从而获取运载器在水下准确姿态、位置等信息的方案,为改善和调整运载器的控制参数及弹道方案提供准确的依据。论文围绕上述方案,进行了如下几个方面的研究工作: 1.确定了合适的事后数据解算方法。分别介绍了欧拉角法、方向余弦法、四元数法和等效旋转矢量法的解算原理和步骤。在对它们各自优缺点进行比较的基础上,结合现今出售的IMU大部分以角速率输出的实际情况和特点,重点对在实际工程中普遍采用的四元数法和等效旋转矢量法,进行了算法的误差推导和分析。通过分析和比较,最终选择四元数算法对惯性测量数据进行事后姿态、位置等参数的解算,并以水下运载器纵平面发射弹道为例,对四元数算法进行了仿真研究,从而证实了该算法的正确性。 2.对惯性测量器件IMU的各类误差引起的系统误差进行了理论分析和数字仿真。从误差传播机理出发,详细推导了系统误差方程,在静基座条件下,对系统误差传播特性进行了定性分析。分别对陀螺确定性常值漂移、加速度计零偏以及初始误差所引起的系统误差进行了定量分析和仿真研究。 3.根据惯性器件IMU的随机误差模型,建立了随机误差源下的系统误差方程。并以运载器纵平面发射弹道为例,就不同级别IMU中的随机误差以及初始误差对系统精度产生的影响进行了仿真研究,从而为研究对象选择适合精度的惯性测量器件IMU提供了方法和依据。 西北工业大学硕士学位论文摘要 4.为了获取采用四元数法进行事后数据解算时,所需要的精确初始姿态阵, 确定了事后速度匹配传递对准方案。本文提出在运载器发射前,通过对潜艇做 等角速率转弯辅助运动时,潜艇上主惯导系统(M工NS)输出的导航信息和安装在 运载器上的工MU的测量数据进行记录和存储,并利用这些存储信息在计算机上进 行事后速度匹配传递对准的方案,从而确定准确的初始姿态阵。同时,就事后对 准中存在的杆臂效应提出了补偿方法。并且通过建立速度匹配传递对准的状态 空间模型,对上述方案进行了仿真研究,证实了该方案的正确性。 5.对陀螺随机漂移进行特性分析与建模,是进一步提高事后数据解算精度 的基础。本文提出了利用信号的多尺度小波分析理论,对陀螺仪的静态测量数 据进行趋势项提取,在此基础上采用时间序列分析方法对陀螺随机漂移进行特 性分析和建模的方案。同时,采用该方案对某型号IMU中陀螺仪的静态实测数据 进行了分析和仿真,建立了AR(3)模型,从而验证了其方法的可行性。 6.本文提出通过虚拟现实仿真技术,来形象而生动地再现水下运载器的运 行状态。并以运载器纵平面发射弹道为例,利用V一Realm Bui lder 2.0构造了运 载器发射的虚拟现实场景。并结合袱TLAB、5 imulink和虚拟现实工具箱,对运 载器纵平面发射弹道进行了虚拟现实仿真,验证了该方法的可行性。 关键词: 飞航式导弹 传递对准 捷联惯导系统四元数法旋转矢量法运载器子样算法 卡尔曼滤波小波分析时间序列


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