基于光纖陀螺儀的艦載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于光纖陀螺儀的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有體積小、價格低、重量輕、可靠性高等一系列的優(yōu)點,將在諸多應(yīng)用領(lǐng)域逐漸取代平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng),是近年來慣性技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。本文在國防科技預(yù)研基金項目“捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)桿臂效應(yīng)誤差分析及抑制方法研究--應(yīng)用H∞最優(yōu)化理論減小桿臂干擾對動基座對準(zhǔn)的影響”的資助下,以艦載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為對象,運用了KaIman理論以及H<,∞>最優(yōu)化理論,針對提高捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可靠性和系統(tǒng)性能的魯棒性,

2、以光纖陀螺系統(tǒng)的誤差特性為基礎(chǔ),對艦載捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始對準(zhǔn)和導(dǎo)航信息解算等關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。本學(xué)位論文所從事的主要研究內(nèi)容和和反映的創(chuàng)新點有:1.艦載動基座初始對準(zhǔn)特性分析論文首先針對艦載條件下由于艦船載體受風(fēng)浪擾動所產(chǎn)生的振蕩運動對初始對準(zhǔn)的影響進(jìn)行了分析,研究了動基座主、從慣導(dǎo)傳遞對準(zhǔn)過程中桿臂效應(yīng)和載體受風(fēng)浪等影響所產(chǎn)生的變形彎曲對初始對準(zhǔn)的影響,根據(jù)載體的結(jié)構(gòu)變形的數(shù)學(xué)模型,提出了桿臂效應(yīng)的補償方法.同晾針對不同海況條件下

3、船舶運動的任意性等特點,設(shè)計了通用的船用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的仿真器,對船舶振蕩運動條件下的捷聯(lián)慣性傳感器的輸出特性進(jìn)行仿真研究,完成了傳遞對準(zhǔn)濾波器的驅(qū)動設(shè)計,用以驗證對準(zhǔn)濾波器性能的可靠性。 2.船舶振蕩運動特性研究由于船舶專業(yè)與導(dǎo)航專業(yè)所研究的側(cè)重點有所不同,對于導(dǎo)航專業(yè)而言,船舶運動的特性是影響慣導(dǎo)系統(tǒng)桿臂效應(yīng)的重要因素,從一個新的角度研究多種海況條件下船舶振蕩運動的特性,提出了根據(jù)船舶的響應(yīng)幅值算子,分別對不同海域、不同氣

4、候條件、中等強(qiáng)度的海況情況下,船舶以不同速度、方向行駛的船舶振蕩運動特性進(jìn)行實時仿真,建立了相應(yīng)的船舶振蕩運動的時域數(shù)學(xué)模型。該仿真數(shù)據(jù)與實船試驗數(shù)據(jù)的比較結(jié)果證實了船舶振蕩時域數(shù)學(xué)模型的正確性,和該仿真方法的有效性。 3.桿臂效應(yīng)特性研究論文較全面的分析了桿臂效應(yīng)對初始對準(zhǔn)所產(chǎn)生的影響。通過理論分析和仿真計算得出:當(dāng)名義桿臂矢量與實際情況存在差異情況下,在對慣性傳感器測量信號進(jìn)行桿臂效應(yīng)補償時會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生.提出了利用高精度

5、的主慣導(dǎo)系統(tǒng)的慣性測量信號,采用最小二乘法對桿臂矢量進(jìn)行實時估計的方法,并對該估計方法的實現(xiàn)條件和計算周期的選擇進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,并以某型高精度光纖陀螺儀的信號模型為例,結(jié)合船舶振蕩運動模型,通過仿真計算證明了上述估計方法的可行性。 4.艦載條件下導(dǎo)航算法的研究和誤差分析在動基座、不同海況條件下慣性傳感器輸出信號仿真分析的基礎(chǔ)上,完成了姿態(tài)、速度和位置等導(dǎo)航信息的算法研究.并對初始對準(zhǔn)過程中傳統(tǒng)的導(dǎo)航信息的簡化解算方法對方向余弦

6、矩陣求解造成的誤差進(jìn)行了分析。在對某型中精度光纖陀螺儀的誤差建模和分析的基礎(chǔ)上,討論了載體運動特征和陀螺儀的噪聲對導(dǎo)航信息解算結(jié)果的影響。 5.傳遞對準(zhǔn)過程的桿臂效應(yīng)研究在艦載動基座初始對準(zhǔn)方案分析的基礎(chǔ)上,主要研究了角速度匹l配和姿態(tài)/速度匹配兩種傳遞對準(zhǔn)方案,針對動基座主、從慣導(dǎo)傳遞對準(zhǔn)的特點,對卡爾曼濾波器和H∞濾波器進(jìn)行了比較研究,分析了桿臂效應(yīng)對傳遞對準(zhǔn)濾波器的影響.對于角速度匹配的傳遞對準(zhǔn)方案,針對對準(zhǔn)過程中只存在白

7、噪聲的情況,設(shè)計了角速度匹配的卡爾曼濾波器,仿真結(jié)果表明采用卡爾曼濾波器可以實現(xiàn)快速初始對準(zhǔn)；而當(dāng)存在未建模的撓性桿臂效應(yīng)時,將會引起卡爾曼濾波器性能的下降,提出了使用卡爾曼濾波器對靜態(tài)和動態(tài)失準(zhǔn)角同時進(jìn)行估計,仿真結(jié)果表明,在精確建模的基礎(chǔ)上,采用卡爾曼濾波器可以較好的估計載體的彎曲角。 因H∞估計不但對噪聲統(tǒng)計特性不敏感,且H∞濾波器對系統(tǒng)參數(shù)的不確定性也不敏感這一特性,確保H∞濾波器較快估計失準(zhǔn)角、動態(tài)跟蹤速度差值的同時,

8、具有良好的魯棒性。同時,盡管卡爾曼濾波器也能較快地估計失準(zhǔn)角,但當(dāng)系統(tǒng)由于存在名義桿臂矢量不準(zhǔn)確所造成的有色噪聲時,將導(dǎo)致卡爾曼濾波器性能的嚴(yán)重下降,甚至失效.在對比研究的基礎(chǔ)上,提出了將H∞濾波器應(yīng)用于姿態(tài)/速度匹配的傳遞對準(zhǔn)方案,并通過仿真分析證明了該方案的有效性。 6.導(dǎo)航系統(tǒng)多傳感器信息融合現(xiàn)代組合導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)通常配置了多種類型的導(dǎo)航設(shè)備,不同的傳感器信號輸出頻率具有多樣性,針對測量信號存在時間不確定性將導(dǎo)致卡爾曼濾波