惯性导航系统平台漂移误差模型的辨识

摘要

随着惯性导航技术的迅速发展，惯导平台的精度要求也变得越来越高。由于加工水平和制造工艺的限制，仅仅依靠提高陀螺及加速度计等惯性元器件的精度来提高整个惯性导航系统精度的代价越来越大。相比而言，在对惯导平台各类误差源辨识的基础上进行系统级补偿，则是一种更为经济有效的途径。本文对惯导平台漂移误差模型的辨识做了深入研究，具体有以下几方面的工作。
　　基于某特定型号的惯导平台结构，对惯导平台的误差漂移运动进行了建模。由陀螺、加速度计等分立的惯性元器件误差模型以及惯导平台的稳定机理，推导出了比较完整的惯导平台漂移误差模型。该平台漂移误差模型物理意义明确，便于根据仿真研究或工程应用的需要进行扩充或化简。
　　以往对惯导平台的漂移误差模型的辨识偏重于陀螺的零次项和一次项漂移误差系数，其试验中选取的位置不可能激励起陀螺高次项漂移误差系数。为辨识出这些陀螺的高次项漂移误差系数，本文将系统输出灵敏度引入到惯导平台的漂移误差模型中，针对惯导平台漂移误差模型的特殊性，对该系统输出灵敏度进行简化处理以便于理论分析。在此基础上，分别推导出辨识非交叉项和辨识交叉项漂移误差系数的试验位置选取原则。
　　J.H. Frazier等人提出的63阶惯导平台漂移误差模型虽然具有普遍意义，然而，当惯导平台工作在特殊环境下，如恒定加速度条件下，该模型会存在系数冗余的问题，因而在静基座测试条件下，惯导平台的漂移误差系数是不可能辨识完全的。静基座测试条件下，惯导平台的所有漂移误差系数只能依靠重力加速度来激励，这使得辨识过程中一些高次项小量级的漂移误差系数出现难以收敛甚至发散的现象。因此，文中提出分步迭代的方法以促使高次项误差系数的收敛。
　　文中也研究了另一种更有效解决惯导平台漂移误差系数激励过小的方法：线振动试验方法。在以往刚性连接线振动试验研究的基础上，基于实际工程的应用，对弹性连接的线振动试验进行了深入研究。针对弹性连接的线振动实验中存在的问题，提出了惯导平台漂移误差平均模型，指出了平均模型实质和一个相应静态模型是等效的。因此，和静态模型一样，它也存在着系数冗余的问题。然而，线振动下的平均模型的冗余系数是可以解决的，提出利用两组不同振动幅值测试数据来修正冗余系数的方案。
　　研究了由于加速度计输出的引入给惯导平台漂移误差模型辨识带来的误差影响。这一误差是和试验位置的选取密切相关的，由它们之间关系提出了试验位置选取原则再优化的观点，同时也指出了再优化有两种不同的选择方案，且两种方案有不同的优缺点。

目录

惯性导航系统平台漂移误差模型的辨识

Identification of drift error model for inertial navigation system platform

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 研究目的和意义

1.3 惯导平台漂移误差模型辨识的发展

1.3.1 惯导平台漂移误差模型的发展

1.3.2 惯导平台漂移误差模型辨识技术的发展

1.4 Kalman滤波方法在惯导平台误差模型辨识中的发展

1.5 本文的主要研究内容和章节安排

第 2 章 扩展卡尔曼滤波理论和惯导平台漂移误差模型

2.1 扩展卡尔曼滤波理论

2.1.1 非线性系统的描述

2.1.2 线性化Kalman滤波

2.1.3 扩展Kalman滤波

2.1.4 扩展Kalman滤波器的工作流程

2.2 惯导平台漂移误差模型

2.2.1 有关的坐标系的说明

2.2.2 从惯性坐标系到地理坐标系的坐标变换

2.2.3 从基座（地理）坐标系到转台坐标系的坐标变换

2.2.4 从转台坐标系到平台坐标系的变换

2.2.5 从平台坐标系到敏感元件坐标系的变换

2.2.6 平台角速率与欧拉角速率之间的变换

2.2.7 陀螺仪和加速度计的输出模型

2.2.8 惯导平台的转动角速率模型和加速度计组输出模型

2.2.9 惯导平台漂移误差模型的建立

2.3 本章小节

第 3 章 惯导平台静态漂移误差模型的辨识

3.1 惯导平台漂移误差模型辨识的位置选取原则

3.1.1 输出灵敏度基本理论

3.1.2 各常用位置的输出灵敏度分析

3.1.3 各漂移误差系数辨识的位置选取原则

3.1.4 位置选取原则的总结

3.2 静基座下惯导平台漂移误差模型辨识的局限性

3.3 基于灵敏度的惯导平台漂移误差模型分步迭代辨识方法

3.4 分步迭代辨识方法的仿真验证

3.5 分步迭代辨识方法的实验验证

3.6 本章小节

第 4 章 线振动下惯导平台漂移误差模型的辨识

4.1 线振动方向的优化选择及惯导平台的动态模型的简化

4.1.1 线振动实验

4.1.2 线振动实验的原始模型

4.1.3 线振动实验平均模型

4.1.4 振动方向的优化选择

4.1.5 最优振动方向下的实验平均模型

4.2 线振动实验位置的选取

4.3 辨识过程中的振动幅值和冗余参数的确定

4.3.1 振动幅值的确定

4.3.2 平均模型中冗余系数的修正

4.4 算法的改进

4.5 线振动下惯导平台漂移误差模型辨识方法的流程

4.6 基于平均模型惯导平台漂移误差模型辨识方法的仿真验证

4.7 基于平均模型惯导平台漂移误差模型辨识方法的实验验证

4.8 本章小节

第 5 章 加速度计输出对线振动下惯导平台漂移误差模型辨识的影响

5.1 基本定义

5.2 误差分析推导

5.3 误差分析的应用

5.4 实验位置选取原则进一步优化的验证

5.5 本章小节

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历