惯性/卫星组合导航自适应容错与精度性能增强关键技术研究

摘要

近年来，惯性/卫星组合导航系统在卫星导航系统多星座测量信息丰富化，惯性器件动态性能和精度提升、在惯性/卫星组合体制改进等方面都取得了有益的进步，从而在军用和民用领域日益发挥更为重要的作用。随着新型高动态飞行器的发展和复杂环境下精密定位需求的升级，对惯性/卫星组合导航系统的可靠性和精度提出了更高的要求。尽管惯性/卫星组合导航系统的组合体制由松组合、紧组合向深组合逐步发展，但卫星导航对于惯导的辅助和修正仍然主要依靠伪距、伪距率和载波相位为基础的测量信息与惯性信息进行融合来完成，无法完全避免星钟漂移、信号传输畸变等影响，以及复杂环境下偶然因素的作用。因此，惯性/卫星组合导航自适应容错与精度性能增强技术是保障惯性/卫星组合导航系统在复杂条件下精确性和可靠性不可或缺的重要环节。
　　本文以复杂环境下惯性/卫星组合导航系统的精度与可靠性增强为目标，针对惯性/卫星组合导航自适应容错与精度性能增强关键技术方案、理论和算法开展研究，从而为惯性/卫星组合导航系统在高动态复杂环境下导航信息稳定可靠获取提供必要手段，提高测量信息异常时系统故障快速识别检测与自我恢复、观测信息自适应优化与评价的能力，以确保容错反应处理速度和可靠精确导航。研究内容主要包括：基于支持向量回归的惯性/卫星组合快速故障检测方法、多故障条件下惯性/卫星组合导航自主检测与系统重构方法、基于在线噪声特性建模的鲁棒自适应平滑伪距组合导航方法、基于动态周跳补偿的惯性/卫星精密定位容错组合导航方法。
　　针对惯性/卫星组合导航系统缓变故障检测延时较大的问题，研究了基于数据驱动的智能快速故障检测方法。提出了一种基于最小二乘支持向量回归的惯性/卫星组合导航系统快速故障检测算法，分析了滤波器误差跟踪特性对传统自主完好性监测外推方法性能影响，通过最小二乘支持向量回归建立了滤波器新息预测模型，利用预测新息构成与组合导航系统滤波器并行的检验统计量，结合自主完好性外推法进行缓变故障检测，从而降低了组合导航系统滤波器误差跟踪产生的故障检测延时，提高了缓变故障检测实时性。
　　针对惯性/卫星组合导航系统中多个观测卫星同时发生故障时的多故障检测、识别，以及非故障观测信息质量评价进行了研究。设计了惯性/卫星组合导航系统多故障检测系统方案，提出了基于子集p值检验的组合导航系统多故障自主检测与识别方法，同时对非故障信息源进行质量评价，以此为依据实现系统重构。从而降低了发生故障后无故障观测量受污染对系统产生的不良影响，提高了多故障情况下导航系统容错性及精度。
　　针对惯性/卫星组合导航系统传统观测信息伪距噪声较高、载波相位观测量应用条件复杂的问题，提出了一种基于自适应等价权因子的鲁棒自适应平滑伪距组合导航算法。通过载波相位时间差分对伪距进行平滑，设计了基于伪距和载波相位历元差分的惯性/卫星组合导航综合方案，并建立了系统模型；针对平滑后噪声不再符合高斯特性的问题，对平滑伪距观测噪声特性进行分析和建模，实现了在线估计滤波器噪声统计特性，最终结合抗差估计实现在周跳等外界干扰不确定的情况下实现鲁棒控制，提高惯性/卫星组合导航系统在复杂环境下的定位精度。
　　在满足导航灵活性的前提下提高惯性/卫星组合导航系统的定位精度，研究了惯性/卫星单频精密单点定位系统组合导航方法，并针对周跳的影响提出了自修复自适应容错方法。建立了惯性/卫星精密定位双频组合和单频组合的状态模型和观测模型，构建与组合导航主滤波器平行的周跳识别和估计滤波器，对有周跳的观测信息进行反馈修正，并对周跳状态量的参数进行调节。该系统利用了高精度观测信息优势，同时补偿了周跳误差，提高了系统精度、实时性和鲁棒性。
　　本文设计并实现了惯性/卫星组合导航系统仿真验证系统，有效验证了本文提出的惯性/卫星组合系统精度增强和可靠性增强方案和算法。通过数字仿真和跑车测试对系统的有效性和可靠性进行了验证。本文的研究工作有助于提高组合导航系统的精度和可靠性，所取得的研究成果对惯性/卫星组合导航系统在飞行器导航中的应用具有重要的理论和工程参考价值。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪 论

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 国内外研究现状与分析

1.3 论文的主要研究内容和结构

第二章 基于支持向量回归的惯性/卫星组合快速故障检测方法

2.1 引言

2.2 惯性/卫星组合系统故障建模与故障检测

2.3 基于支持向量回归的组合导航系统快速故障检测方法

2.4 基于最小二乘支持向量回归的组合导航快速故障检测仿真与分析

2.5 本章小结

第三章 多故障下惯性/卫星组合导航自主检测与系统重构方法

3.1 引言

3.2 惯性/卫星组合导航系统多故障检测方案

3.3 基于子集检验的多故障容错方法

3.4 惯性/卫星组合多故障自主检测重构仿真与分析

3.5 本章小结

第四章 基于在线噪声特性建模的鲁棒平滑伪距组合导航方法

4.1 引言

4.2 载波相位平滑伪距滤波算法

4.3 基于在线噪声特性建模的鲁棒自适应平滑伪距组合导航方法

4.4 鲁棒自适应平滑伪距惯性/卫星组合导航系统仿真与分析

4.5 本章小结

第五章 基于动态周跳补偿的惯性/卫星精密定位容错导航方法

5.1 引言

5.2 惯性/卫星PPP组合导航系统方案

5.3 惯性/卫星PPP组合导航系统数学建模

5.4 惯性/卫星单频PPP组合容错滤波方法

5.5 惯性/卫星单频PPP容错组合导航仿真与分析

5.6 本章小结

第六章 惯性/卫星组合导航容错与精度性能增强仿真试验分析

6.1 引言

6.2 惯性/卫星组合导航容错与精度性能增强仿真验证系统总体方案

6.3 惯性/卫星组合导航容错与精度性能增强仿真验证系统实现

6.4 惯性/卫星组合导航实际测试与分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作与创新

7.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及学术论文