基于光纖陀螺儀的艦載捷聯慣導系統(tǒng)的關鍵技術研究.pdf

1、基于光纖陀螺儀的捷聯慣性導航系統(tǒng)具有體積小、價格低、重量輕、可靠性高等一系列的優(yōu)點,將在諸多應用領域逐漸取代平臺式慣性導航系統(tǒng),是近年來慣性技術的一個重要發(fā)展方向。本文在國防科技預研基金項目“捷聯式慣性導航系統(tǒng)桿臂效應誤差分析及抑制方法研究--應用H∞最優(yōu)化理論減小桿臂干擾對動基座對準的影響”的資助下,以艦載捷聯慣性導航系統(tǒng)為對象,運用了KaIman理論以及H<,∞>最優(yōu)化理論,針對提高捷聯慣性導航系統(tǒng)的精度、可靠性和系統(tǒng)性能的魯棒性,

2、以光纖陀螺系統(tǒng)的誤差特性為基礎,對艦載捷聯慣性導航系統(tǒng)初始對準和導航信息解算等關鍵技術展開了研究。本學位論文所從事的主要研究內容和和反映的創(chuàng)新點有:1.艦載動基座初始對準特性分析論文首先針對艦載條件下由于艦船載體受風浪擾動所產生的振蕩運動對初始對準的影響進行了分析,研究了動基座主、從慣導傳遞對準過程中桿臂效應和載體受風浪等影響所產生的變形彎曲對初始對準的影響,根據載體的結構變形的數學模型,提出了桿臂效應的補償方法.同晾針對不同海況條件下

3、船舶運動的任意性等特點,設計了通用的船用捷聯慣性導航系統(tǒng)的仿真器,對船舶振蕩運動條件下的捷聯慣性傳感器的輸出特性進行仿真研究,完成了傳遞對準濾波器的驅動設計,用以驗證對準濾波器性能的可靠性。 2.船舶振蕩運動特性研究由于船舶專業(yè)與導航專業(yè)所研究的側重點有所不同,對于導航專業(yè)而言,船舶運動的特性是影響慣導系統(tǒng)桿臂效應的重要因素,從一個新的角度研究多種海況條件下船舶振蕩運動的特性,提出了根據船舶的響應幅值算子,分別對不同海域、不同氣

4、候條件、中等強度的海況情況下,船舶以不同速度、方向行駛的船舶振蕩運動特性進行實時仿真,建立了相應的船舶振蕩運動的時域數學模型。該仿真數據與實船試驗數據的比較結果證實了船舶振蕩時域數學模型的正確性,和該仿真方法的有效性。 3.桿臂效應特性研究論文較全面的分析了桿臂效應對初始對準所產生的影響。通過理論分析和仿真計算得出:當名義桿臂矢量與實際情況存在差異情況下,在對慣性傳感器測量信號進行桿臂效應補償時會導致誤差的產生.提出了利用高精度

5、的主慣導系統(tǒng)的慣性測量信號,采用最小二乘法對桿臂矢量進行實時估計的方法,并對該估計方法的實現條件和計算周期的選擇進行了系統(tǒng)的分析,并以某型高精度光纖陀螺儀的信號模型為例,結合船舶振蕩運動模型,通過仿真計算證明了上述估計方法的可行性。 4.艦載條件下導航算法的研究和誤差分析在動基座、不同海況條件下慣性傳感器輸出信號仿真分析的基礎上,完成了姿態(tài)、速度和位置等導航信息的算法研究.并對初始對準過程中傳統(tǒng)的導航信息的簡化解算方法對方向余弦

6、矩陣求解造成的誤差進行了分析。在對某型中精度光纖陀螺儀的誤差建模和分析的基礎上,討論了載體運動特征和陀螺儀的噪聲對導航信息解算結果的影響。 5.傳遞對準過程的桿臂效應研究在艦載動基座初始對準方案分析的基礎上,主要研究了角速度匹l配和姿態(tài)/速度匹配兩種傳遞對準方案,針對動基座主、從慣導傳遞對準的特點,對卡爾曼濾波器和H∞濾波器進行了比較研究,分析了桿臂效應對傳遞對準濾波器的影響.對于角速度匹配的傳遞對準方案,針對對準過程中只存在白

7、噪聲的情況,設計了角速度匹配的卡爾曼濾波器,仿真結果表明采用卡爾曼濾波器可以實現快速初始對準；而當存在未建模的撓性桿臂效應時,將會引起卡爾曼濾波器性能的下降,提出了使用卡爾曼濾波器對靜態(tài)和動態(tài)失準角同時進行估計,仿真結果表明,在精確建模的基礎上,采用卡爾曼濾波器可以較好的估計載體的彎曲角。 因H∞估計不但對噪聲統(tǒng)計特性不敏感,且H∞濾波器對系統(tǒng)參數的不確定性也不敏感這一特性,確保H∞濾波器較快估計失準角、動態(tài)跟蹤速度差值的同時,

8、具有良好的魯棒性。同時,盡管卡爾曼濾波器也能較快地估計失準角,但當系統(tǒng)由于存在名義桿臂矢量不準確所造成的有色噪聲時,將導致卡爾曼濾波器性能的嚴重下降,甚至失效.在對比研究的基礎上,提出了將H∞濾波器應用于姿態(tài)/速度匹配的傳遞對準方案,并通過仿真分析證明了該方案的有效性。 6.導航系統(tǒng)多傳感器信息融合現代組合導航與制導系統(tǒng)通常配置了多種類型的導航設備,不同的傳感器信號輸出頻率具有多樣性,針對測量信號存在時間不確定性將導致卡爾曼濾波