单轴旋转光纤捷联惯导系统综合校正方法研究

摘要

光学陀螺捷联惯导系统体积小、重量轻、启动快、成本低、动态范围宽且能提供自主导航定位信息的优点，使其成为诸多海洋运载器导航系统的首选。在采用同等级惯性器件的条件下，单轴旋转光学陀螺捷联惯导系统在略微增加系统结构的基础上，能够大幅度提升导航性能，目前在各类水面和水下等运载器上得到了广泛的应用。综合考虑现有光学陀螺精度、惯导系统成本以及整体结构，单轴旋转光纤捷联惯导正成为船用惯导系统的重要发展方向。但由于无法调制绕旋转轴方向的惯性元件误差，单轴旋转惯导系统仍存在导航误差随时间累积较快的问题，因此单轴旋转惯导系统仍需要综合校正这一关键系统技术完成定期的导航信息误差重调和惯性元件误差修正。
　　本文以单轴旋转光纤捷联惯导系统为研究对象，针对惯导系统误差随时间累积较快导致其误差模型呈现非线性特性的问题，开展单轴旋转捷联惯导系统综合校正算法研究，设计适用于单轴旋转惯导系统非线性模型的滤波方法，估计系统各导航参数并进行补偿。通过对单轴旋转惯导系统综合校正效果进行仿真对比实验，实现提高系统长航时导航定位精度的目标。首先对单轴旋转惯导系统的误差特性进行研究，对比分析水平方向和方位惯性器件误差对系统各参数输出误差的影响，确定影响系统精度关键误差源，引出估计和补偿方位轴陀螺仪常值误差的必要性。设计单轴旋转惯导系统总体方案，并对单轴旋转惯导系统参数进行可观测性分析，为滤波器选取合适的状态量，以提升滤波器估计的速度和精度。对不可观测的旋转轴陀螺漂移及方位姿态误差角，通过采用系泊摇摆状态及延长观测时间的方式提升可观测度。针对长航时惯导系统误差模型呈现非线性这一主要问题，借鉴常规的无迹卡尔曼滤波方法，通过调整状态均方误差协方差矩阵的值，提出改进的无迹卡尔曼滤波方法，使其经过长时间滤波迭代仍能保持状态均方误差协方差矩阵的正定性，保证滤波的顺利进行。通过加入水平阻尼网络，消除舒勒周期振荡误差和减小陀螺随机漂移对单轴惯导系统的影响，估计方位陀螺仪的常值漂移。根据估计出的速度、位置和姿态误差和方位轴陀螺仪常值误差，通过反馈校正，实现对单轴旋转惯导系统的综合校正。 经过仿真分析可知，单轴旋转惯导系统采用综合校正方案后，其导航定位精度可提高至0.1188海里/48小时，相比于未施加校正环节的惯导系统，定位精度在48小时内提高了0.6海里。上述结果表明文中设计的校正方案可以应用到单轴旋转惯导系统中，有效地提高导航系统的导航精度，并满足实际工程对惯导系统长航时高精度的性能需求。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究发展历程和现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 单轴旋转惯导系统建模及误差分析

2.1 引言

2.2 单轴旋转惯导系统误差补偿原理

2.3 单轴旋转惯导系统的误差分析

2.4陀螺漂移对单轴旋转惯导系统输出影响的仿真分析

2.5 本章小结

第3章 单轴旋转惯导系统总体方案设计

3.1 引言

3.2 选取单轴旋转调制方案

3.3 系统参数可观测性理论分析

3.4 可观测性分析方法

3.5 系统可观测性仿真分析

3.6 本章小结

第4章 综合校正的非线性滤波算法设计

4.1 引言

4.2 扩展卡尔曼滤波算法

4.3 无迹卡尔曼滤波算法

4.4 改进的无迹卡尔曼滤波算法

4.5 性能仿真及结果分析

4.6 本章小结

第5章 单轴旋转捷联惯导系统综合校正算法设计

5.1 引言

5.2 单轴旋转惯导系统非线性误差建模

5.3 单轴旋转惯导系统综合校正方法

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢