弹载捷联惯导免拆标定关键技术研究

摘要

弹载捷联惯导系统(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)的精度是决定导弹打击能力的关键因素之一。随着存放时间的变化，捷联惯导系统的惯组(Inertial Measurement Unit，IMU)误差参数发生变化，IM的误差是捷联惯导系统的主要误差源之一，仍然按照出厂参数补偿惯性传感器会导致惯性系统的导航精度变差，降低导弹命中精度。因此需要对长时间存放的弹载捷联惯组进行重新标定，保证惯导系统的精度。传统的捷联惯组标定方法需要将IMU从导弹中拆出，通过高精度三轴转台进行标定，过程繁琐，耗费大量的人力物力，且可能引入新的安装误差。针对传统标定方法的问题，本文以实际弹载车为应用背景，提出了一种弹载捷联惯导系统免拆标定方法，以高精度GPS和主惯导提供速度、姿态、加速度和角速度观测信息，通过Kalman滤波和最小二乘估计待标定惯组的误差参数，在不拆装弹载惯组的情况下对惯性器件进行标定，有效地降低了标定成本，减少了标定时间，对提高武器系统的快速反应能力有重要意义。本文所做的主要工作如下:
　　1.研究了弹载捷联惯性导航系统的基本原理和捷联惯导姿态、速度和位置信息的解算方法，建立了弹载捷联惯组中光纤陀螺和石英挠性加速度计的误差模型，推导了北天东坐标系下弹载捷联惯导系统的失准角方程和速度误差方程;
　　2.研究了Kalman滤波和最小二乘理论，以高精度GPS提供的速度信息和高精度主惯导提供的姿态、比力、角速度信息为观测量，推导了“速度+姿态”匹配、比力匹配和角速度匹配的系统方程，以此为基础提出了弹载捷联惯导系统免拆标定的原理框架;
　　3.研究了基于PWCS和奇异值分解的可观测性分析方法，建立了弹载捷联惯导系统仿真平台，分析了匀速直行、拐弯、起竖、侧倾四种机动下“速度+姿态”匹配、比力匹配和角速度匹配惯组误差参数的可观测度，可观测度分析结果表明拐弯、起竖、侧倾三种机动可以激励出惯组全部24项误差参数;对四种机动下的不同匹配方式进行了数学仿真，仿真结果表明“速度+姿态”匹配、比力匹配和角速度匹配可以得到惯组误差参数较好的估计结果。在可观测度分析和数学仿真的基础上结合弹载车的实际机动能力，设计了免拆标定方案的机动路径和流程;
　　4.利用高精度三轴转台模拟弹载车的机动路径，对一套中低精度光纤惯组进行了免拆标定方法的试验验证。以转台提供的高精度姿态信息和角速度信息构造外部观测量，分别进行了“速度+姿态”匹配，比力匹配和角速度匹配不同机动下的标定试验，并以传统分立式标定结果为参照，分析免拆标定结果的精度，并比较了两种标定结果补偿后的纯惯性精度，进一步证明了免拆标定方法的有效性和工程可行性。

目录

声明

摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 捷联惯导系统标定技术发展

1．3 论文组织结构

第二章 弹载捷联惯导系统基本原理

2．1 弹载捷联导航系统概述

2．1．1 坐标系介绍

2．1．2 捷联惯性导航系统解算流程

2．2 弹载捷联惯导解算算法

2．2．1 基于四元数的姿态解算

2．2．2 捷联惯导系统速度解算

2．3 弹载捷联惯组误差模型

2．3．1 石英挠性加速度计误差模型

2．3．2 光纤陀螺误差模型

2．4 弹载捷联惯导系统的误差模型

2．4．1 速度误差方程

2．4．2 失准角误差方程

2．5 本章小结

第三章 弹载捷联惯导系统免拆标定原理框架

3．1 弹载捷联惯导系统免拆标定匹配方法

3．1．1 “速度+姿态”匹配方法

3．1．2 比力匹配方法

3．1．3 角速度匹配方法

3．2 弹载捷联惯导系统免拆标定滤波方法

3．2．1 Kalman滤波基本理论

3．2．2 最小二乘估计

3．2．3 Kalman滤波和最小二乘估计比较

3．3 弹载捷联惯导系统免拆标定原理框架

3．4 本章小结

第四章 免拆标定的路径设计及可观测性分析

4．1 基于奇异值分解的PWCS可观测性分析方法

4．1．1 可观测性矩阵

4．1．2 基于奇异值分解的可观测度分析

4．2 弹载捷联系统可观测性分析

4．2．1 “速度+姿态”匹配可观测性分析

4．2．2 比力匹配可观测性分析

4．2．3 角速度匹配可观测性分析

4．3 弹载捷联惯导系统免拆标定方法数学仿真

4．3．1 “速度+姿态”匹配仿真结果

4．3．2 比力匹配仿真结果

4．3．3 角速度匹配仿真结果

4．4 弹载捷联惯导系统免拆标定机动方案设计

4．5 本章小结

第五章 弹载捷联惯导系统免拆标定转台试验

5．1 免拆标定转台试验设备

5．2 免拆标定试验结果

5．2．1 “速度+姿态”匹配转台试验

5．2．2 比力匹配转台试验

5．2．3 角速度匹配转台试验

5．2．4 转台试验纯惯性精度验证

5．3 试验结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 论文主要内容总结

6．2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

作者简介