横坐标系捷联惯导系统极区导航及其误差抑制技术研究

摘要

作为一种完全自主式的导航方式，惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS)广泛用于舰船及水下潜器等运载体。但是，现有INS机械编排在极区工作时存在精度下降、平台跟踪北向困难等问题。特别是在极点附近，基于现有坐标系统的北向定义已经失去了意义，导致无法提供北向基准。因此，本文针对现有INS机械编排存在的问题提出一种适用于极区工作的横坐标系捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)机械编排，并在此基础上对横坐标系SINS和其误差抑制技术进行深入研究。论文研究的主要工作有：　　在建立了横坐标系参考框架的基础上，设计了横坐标系SINS机械编排。利用空间解析几何推导了位置、速度及捷联姿态矩阵在常规坐标系统和横坐标系统之间的转换公式，实现了SINS在不同机械编排之间的自由切换。通过对横坐标系SINS进行误差分析，确定了该系统中同样含有舒勒、傅科以及地球3种周期振荡性误差，同时发现横经度、横纬度误差及方位失准角随时间发散的误差特性。　　针对横坐标系SINS中存在的周期振荡性误差，利用多普勒计程仪(Dopple Velocity Log, DVL)辅助横坐标系SINS构建了外全阻尼系统。通过对外全阻尼横坐标系SINS特征方程的分析，发现在外全阻尼横坐标系SINS中方位阻尼效果不仅与方位阻尼网络设置有关还与载体位置有关，从而给横坐标系SINS的阻尼网络设计提供了设计要求。　　针对DVL测速误差会给外阻尼横坐标系SINS带来误差，推导了DVL测速误差和外阻尼横坐标系SINS误差之间的传递函数，进而分析了不同形式DVL测速误差对外阻尼横坐标系SINS的影响。提出了一种双系统串联外阻尼横坐标系SINS误差抑制方案，利用双系统外速度误差检测技术自动判断阻尼状态切换时刻，并使用数学平台旋转角速度柔性切换替代传统一次性切换，有效减小了DVL测速误差对外阻尼横坐标系SINS的影响。　　虽然利用阻尼技术可以阻尼掉横坐标系SINS中存在的周期振荡，但是无法抑制横经度、横纬度以及航向角误差的发散。为了解决横坐标系SINS误差累积的问题，提出利用重力异常匹配辅助横坐标系SINS方案。在该方案中，针对重力场模型非线性及无具体解析式表达式的问题，利用粒子滤波（Partical Filter, PF)对重力异常数据进行数据融合。考虑到标准PF存在粒子退化问题，对标准PF进行了优化。在PF框架中嵌入容积卡尔曼滤波（Cubature Kalman Filter,CKF)，即利用CKF在滤波当前时刻根据量测信息得到重要性密度函数，同时在CKF量测更新阶段利用Gauss-Newton迭代计算获得系统状态近似极大后验概率估计，从而减轻粒子退化速度，保证重力异常匹配精度，有效抑制了横坐标系SINS误差累积。　　在极区重力异常不可匹配区域，为了使横坐标SINS可以得到持续校正，设计了横坐标系SINS/重力异常匹配/DVL之间的三种不同组合模式，推导了3种组合模式下系统量测方程。针对DVL输出受洋流影响的问题，提出了基于船体转弯运动模型约束的洋流误差估计方案，减小了洋流误差对DVL速度输出影响，改善了系统性能。

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第1章 绪论

1.1 课题的目的和意义

1.2 极区内导航方案可行性分析

1.3 极区惯性导航关键技术发展现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 常用惯导机械编排极区导航性能分析

2.1 固定指北方位惯导系统极区工作性能

2.2 三种极区常用惯导系统机械编排工作原理

2.3仿真试验验证

2.4本章小结

第3章 横坐标系捷联惯性导航系统极区导航技术

3.1横坐标系统建立

3.2横坐标系统中各导航参数转化关系

3.3横坐标系捷联惯性导航系统机械编排

3.4横坐标系捷联惯性导航系统误差方程

3.5横坐标系捷联惯性导航系统误差特性分析

3.6系统误差比较分析

3.7仿真试验验证

3.8本章小结

第4章 DVL辅助横坐标系捷联惯导系统误差抑制技术

4.1横坐标系捷联惯导系统阻尼设计

4.2外阻尼状态下的横坐标系捷联惯导系统误差分析

4.3外阻尼横坐标系捷联惯导系统误差抑制技术

4.4本章小结

第5章 基于重力异常匹配辅助的横坐标系捷联惯性组合导航技术

5.1 标准粒子滤波

5.2基于迭代容积卡尔曼滤波建议分布的粒子滤波优化算法

5.3基于优化粒子滤波的重力异常匹配算法研究

5.4 基于重力异常匹配和DVL联合辅助的横坐标系捷联惯性组合导航系统

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢