机载捷联惯性导航系统高精度快速对准技术研究

摘要

机载捷联惯导系统的初始对准就是确定惯性测量单元所对应的机体坐标系与惯导系统所采用的导航坐标系之间关系的过程。现代战争对武器装备的快速性和机动性要求越来越高，提高装备高性能机载吊舱的先进军用飞机捷联惯导系统对准效率是实现精确导航与制导的必要条件之一。为了提高系统对准精度、缩短系统对准时间，本文分别从机载捷联惯导系统地面对准、空中对准和传递对准三个方面展开研究。 时间较宽裕情况下，进行地面捷联惯导初始对准非常重要。本文针对机载捷联惯导系统地面静基座初始对准技术进行研究，引入了自抗扰控制技术中的扩张状态观测器，突破传统方法对于噪声的限制，通过控制方法估计失准角状态变化。另外，在采用全球导航卫星系统（GNSS）辅助进行较紧急的地面动基座初始对准时，针对地面环境出现卫星信号遮挡和干扰的问题，提出了基于运动学约束的捷联惯导系统地面动基座对准方法，利用飞机在地面滑跑条件下的运动学约束模型构造虚拟观测方程辅助全球导航卫星系统进行地面动基座初始对准。一方面，当全球导航卫星系统信号良好时，采用两者结合进行地面动基座初始对准；另一方面，当全球导航卫星系统信号发生丢失或故障时，运动学约束模型可以持续辅助捷联惯导系统进行地面动基座对准。从而在保证对准精度的前提下缩短了对准时间，同时提高了对准可靠性。 在紧急任务情况下，考虑到机载捷联惯导系统的地面对准时间和精度受限，可以利用飞行器在空中的飞行过程进一步提高系统对准性能。本文针对单一辅助信息下的初始对准存在失准角收敛时间长，精度不高等问题，提出了利用多辅助信息进行空中对准的方法。考虑到多信息辅助下机载捷联惯导系统易受到多种因素影响，研究了神经网络结合联邦滤波器的多信息辅助机载捷联惯导系统空中对准方法，借助联邦滤波器的估计能力和神经网络的学习能力，提高了空中对准算法的鲁棒性和精度；另外，针对环境任务变化带来的对准滤波器不能自适应调整的问题，研究了基于因子图概率模型的多信息辅助空中对准方法，根据因子图模型的结构将传感器抽象成不同的因子节点构造链式滤波器结构，基于可用传感器信息动态调整因子节点，实现了多源异步信息的有效利用。从两个方面综合提高了机载捷联惯导系统空中对准的精度和适应性。 传递对准方法是提高机载子惯导对准综合性能的有效途径。然而，由于载体本身安装位置、挠曲变形等因素，传递对准的性能会受到影响。本文针对影响传递对准的多种因素进行了误差分析与补偿研究；结合基于奇异值分解的状态可观测度分析方法的研究，提出了一种基于可观测度分析的自适应传递对准方法，在简化的Sage-Husa自适应滤波算法的基础上，结合状态可观测度构建渐消因子，在利用时变噪声估计器在线估计和修正量测噪声提高传递对准的噪声适应能力的同时，抑制了可观测度差的状态分量对滤波器性能的影响，增强了传递对准的适应能力并提高了对准精度和快速性。 现代机载高速数据通讯网络极大地促进了机载惯性网络传递对准技术的发展，依托机载分布式惯性导航传感器进行惯性网络传递对准成为当前提高系统整体性能的重要研究方向。本文构建了各节点可以实现数据共享的机载捷联惯导系统惯性网络，并提出了基于惯性网络结构的传递对准算法，与传统传递对准算法相比，提高了传递对准的精度和可靠性。在此基础上，进一步研究了基于惯性网络结构的系统故障检测方法，依托惯性网络的高容错性和强鲁棒性，能够有效抑制个别节点失效导致的系统性能下降，提高了系统的故障容错能力。 最后，本文利用可视化软件搭建了机载捷联惯性导航系统对准算法仿真验证平台，分别对机载捷联惯导系统地面快速初始对准方法、多信息辅助下机载捷联惯导系统系统空中对准方法、机载捷联惯导系统传递对准方法进行了平台仿真实现，验证结果表明，本文相关算法能够有效提高机载捷联惯导系统对准的性能，为提升先进军用飞机及其机载子惯导系统的对准精度及可靠性奠定了基础。

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