极区捷联惯导系统快速传递对准方法研究

摘要

极区的海洋资源对经济可持续发展和国家安全的重要性日益凸显，对极区海洋资源的开发与探测有着举足轻重的地位。然而，极区的地磁力线收敛、磁场异常和多径效应，导致无线电导航、地磁导航和卫星导航等导航方式在极区环境下无法正常工作。捷联惯导系统由于具有高自主性和相对独立的优势，目前被广泛应用于各类军民用大型船舶的极区导航。为了缩短对准时间和提高对准精度，对于大型船舶的附属航行器与工作船，其初始对准一般不采用自主式对准方法，而是采用传递对准的方式实现其初始对准。当前，对于极区传递对准方法的研究刚开始起步，仍存在许多问题与技术难点。本文以大型船舶的附属航行器和工作船为对象，对基于格网惯性导航机械编排的极区捷联惯导系统快速传递对准方法进行研究，以期实现快速、精确的极区传递对准。
　　由于极区经线急剧收敛，基于地理系指北方位机械编排的主、子惯导系统导航方法和传递对准方法，都会在极区会存在误差增大和计算溢出的问题，进而导致传递对准精度降低甚至出现发散的情况。格网系惯性导航方法可以避免极区经线收敛带来的问题，因此其可以应用于极区传递对准。现有的格网系传递对准方法，由于其状态量无法被直接观测，因此其可观测性较低，导致该方法对机动性要求较高，不适用于机动性较低的大型船舶传递对准。同时，由于该方法增加了观测矩阵的复杂性，且干扰误差补偿不明确，不利于实现精确、快速的极区传递对准，因此需要对格网系传递对准方法进行改进。同时，针对其干扰误差补偿不明确的问题，对传递对准的干扰误差进行分析，为格网系传递对准方法的改进提供参考依据。
　　针对现有格网系传递对准方法的问题，基于“速度+姿态”快速传递对准方程，选取主、子惯导之间完全可观测的量测失准角和速度误差作为状态量与观测量，对格网系传递对准误差方程进行改进;同时，针对静态杆臂和挠曲变形模型补偿方法存在的问题，综合考虑挠曲变形对杆臂效应的影响，设计动态杆臂补偿法，并借助白噪声补偿原理，设计挠曲变形的噪声补偿法;建立格网系传递对准改进滤波模型，并针对挠曲变形噪声补偿法会降低卡尔曼滤波估计效果的问题，设计并改进Sage-Husa自适应卡尔曼滤波来保障对准性能;基于奇异值分解可观测性分析法，对格网系传递对准改进方法进行可观测性分析，并根据分析结果设计可以提高对准性能的运动方案。格网系传递对准改进方法，能够在极区环境下有效地实现对干扰误差的补偿和对失准角的估计，且其在匀加速直线运动状态下具有更高的可观测度和更好的对准效果。
　　在传递对准实际应用中，主、子惯导系统之间的方位失准角可能会很大。在大方位失准角的情况下，基于小失准角假设的格网系传递对准改进方法，将会出现精度降低的问题。针对大方位失准角带来的问题，将系统考虑为非线性，在格网系非线性误差方程的基础上，对格网系传递对准非线性方法进行全局可观测性分析;基于动态杆臂补偿法与挠曲变形噪声补偿法，对格网系非线性误差方程进行完善，建立格网系传递对准非线性干扰误差补偿模型;针对挠曲变形噪声补偿法造成的过程噪声强度过大，以及极区恶劣海洋环境下噪声统计特性不确定的问题，设计自适应无迹卡尔曼滤波来对非线性模型进行状态估计。格网系传递对准非线性方法，可以适用于大方位失准角下的极区传递对准应用，且无论船舶处于何种运动状态都具有良好的对准精度。
　　极区的多径效应会使得卫星导航系统精度降低甚至发散，主惯导系统由于无法通过卫星导航系统校正或校正效果不好而出现误差，进而对传递对准的精度产生不利的影响。为了在主惯导系统出现误差的情况下保障传递对准的精度，基于格网系传递对准非线性模型与自适应无迹卡尔曼滤波，研究借助外部参考信息辅助的格网系传递对准方法。通过对多普勒计程仪和星敏感器工作原理的分析，分别建立其误差模型;利用多普勒计程仪测量的速度与星敏感器测量的姿态，构建高精度的“速度+姿态”观测量，建立声学/天文辅助格网系传递对准非线性方法。基于声学/天文导航辅助的格网系传递对准非线性方法，能够在主惯导系统有误差的情况下，充分保障极区传递对准的性能。
　　本文分别在小失准角和大方位失准角情况下对格网系传递对准方法进行改进与完善，并针对极区多径效应导致主惯导系统出现误差的问题，研究声学/天文导航辅助的格网系传递对准方法。仿真与实测数据实验结果表明:格网系传递对准改进方法，在小失准角情况下能够在15秒以内实现高精度（三轴实际物理失准角误差在0.3角分以内）的对准结果，在大方位失准角情况下能够在40秒以内实现高精度（三轴实际物理失准角误差在3.3角分以内）的对准结果;声学/天文导航辅助格网系传递对准方法，可以在主惯导系统有误差的情况下，在40秒以内实现高精度（三轴实际物理失准角误差在6角分以内）的对准结果，有效地保障极区传递对准的性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2国内外研究现状与分析

1．2．1极区惯性导航方法研究现状

1．2．2极区传递对准方法研究现状

1．2．3传递对准关键技术研究现状

1．2．4声学／天文辅助传递对准研究现状

1．3论文研究内容及结构安排

第2章极区传递对准方法原理分析

2．1地理系惯性导航与传递对准方法研究

2．1．1地理系主、子惯导方法

2．1．2地理系导航误差传播特性分析

2．1．3基于地理系的传递对准方法

2．1．4地理系方法的极区适用性研究

2．2格网系惯性导航方法研究

2．2．1格网坐标系

2．2．2格网惯性导航机械编排

2．2．3格网导航误差传播特性分析

2．3格网系传递对准方法研究

2．3．1格网系传递对准方法

2．3．2格网系传递对准改进方法

2．4传递对准干扰误差分析

2．4．1干扰误差原理分析

2．4．2干扰误差对传递对准的影响

2．4．3干扰误差补偿方法

2．5本章小结

第3章格网系传递对准改进方法研究

3．1格网系传递对准的改进误差方程

3．1．1姿态误差方程

3．1．2速度误差方程

3．2动态杆臂补偿法与挠曲变形噪声补偿法

3．2．1动态杆臂补偿法

3．2．2挠曲变形的噪声补偿法

3．3基于自适应滤波的格网系传递对准改进方法

3．3．1格网系传递对准改进模型

3．3．2改进的Sage-Husa自适应卡尔曼滤波

3．4格网系传递对准改进方法的可观测性分析

3．4．1 SVD可观测性分析法

3．4．2格网传递对准改进方法的可观测性分析

3．4．3可观测性分析仿真验证实验

3．5格网系传递对准改进方法的实验验证

3．5．1仿真实验条件与结果

3．5．2实测数据实验条件与结果

3．5．3结果分析与比较讨论

3．6本章小结

第4章大方位失准角下格网系传递对准方法研究

4．1格网系传递对准非线性方法的可观测性分析

4．1．1非线性误差方程

4．1．2全局可观测性分析

4．1．3可观测性分析实验验证

4．2格网系传递对准非线性干扰误差补偿方法

4．2．1速度误差方程

4．2．2姿态误差方程

4．2．3格网系非线性干扰误差补偿模型

4．3自适应无迹卡尔曼滤波

4．4大方位失准角下格网系传递对准方法实验与分析

4．4．1实测数据实验条件

4．4．2非线性干扰误差补偿方法实验验证

4．4．3自适应UKF滤波实验验证

4．4．4结果分析与比较讨论

4．5本章小结

第5章声学／天文导航辅助格网系传递对准方法研究

5．1极区多径效应的影响

5．1．1多径效应对主惯导系统的影响

5．1．2多径效应对极区传递对准的影响

5．2多普勒计程仪和星敏感器原理与建模

5．2．1多普勒计程仪原理与误差建模

5．2．2星敏感器原理与误差建模

5．3声学／天文辅助格网系传递对准模型

5．3．1“速度+姿态”观测量的构建

5．3．2声学／天文辅助格网系传递对准非线性模型

5．4声学／天文辅助传递对准方法验证实验与分析

5．4．1实测数据实验条件

5．4．2格网系传递对准滤波器的实验验证

5．4．3声学／天文辅助格网系传递对准实验验证

5．4．4结果分析与比较讨论

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢