橫坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)極區(qū)導(dǎo)航及其誤差抑制技術(shù)研究.pdf

1、作為一種完全自主式的導(dǎo)航方式，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System, INS)廣泛用于艦船及水下潛器等運(yùn)載體。但是，現(xiàn)有INS機(jī)械編排在極區(qū)工作時(shí)存在精度下降、平臺(tái)跟蹤北向困難等問題。特別是在極點(diǎn)附近，基于現(xiàn)有坐標(biāo)系統(tǒng)的北向定義已經(jīng)失去了意義，導(dǎo)致無法提供北向基準(zhǔn)。因此，本文針對(duì)現(xiàn)有INS機(jī)械編排存在的問題提出一種適用于極區(qū)工作的橫坐標(biāo)系捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown Inertial Navigat

2、ion System, SINS)機(jī)械編排，并在此基礎(chǔ)上對(duì)橫坐標(biāo)系SINS和其誤差抑制技術(shù)進(jìn)行深入研究。論文研究的主要工作有：
　　在建立了橫坐標(biāo)系參考框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了橫坐標(biāo)系SINS機(jī)械編排。利用空間解析幾何推導(dǎo)了位置、速度及捷聯(lián)姿態(tài)矩陣在常規(guī)坐標(biāo)系統(tǒng)和橫坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換公式，實(shí)現(xiàn)了SINS在不同機(jī)械編排之間的自由切換。通過對(duì)橫坐標(biāo)系SINS進(jìn)行誤差分析，確定了該系統(tǒng)中同樣含有舒勒、傅科以及地球3種周期振蕩性誤差，同時(shí)發(fā)現(xiàn)

3、橫經(jīng)度、橫緯度誤差及方位失準(zhǔn)角隨時(shí)間發(fā)散的誤差特性。
　　針對(duì)橫坐標(biāo)系SINS中存在的周期振蕩性誤差，利用多普勒計(jì)程儀(Dopple Velocity Log, DVL)輔助橫坐標(biāo)系SINS構(gòu)建了外全阻尼系統(tǒng)。通過對(duì)外全阻尼橫坐標(biāo)系SINS特征方程的分析，發(fā)現(xiàn)在外全阻尼橫坐標(biāo)系SINS中方位阻尼效果不僅與方位阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)置有關(guān)還與載體位置有關(guān)，從而給橫坐標(biāo)系SINS的阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)要求。
　　針對(duì)DVL測(cè)速誤差會(huì)給外阻

4、尼橫坐標(biāo)系SINS帶來誤差，推導(dǎo)了DVL測(cè)速誤差和外阻尼橫坐標(biāo)系SINS誤差之間的傳遞函數(shù)，進(jìn)而分析了不同形式DVL測(cè)速誤差對(duì)外阻尼橫坐標(biāo)系SINS的影響。提出了一種雙系統(tǒng)串聯(lián)外阻尼橫坐標(biāo)系SINS誤差抑制方案，利用雙系統(tǒng)外速度誤差檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)判斷阻尼狀態(tài)切換時(shí)刻，并使用數(shù)學(xué)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度柔性切換替代傳統(tǒng)一次性切換，有效減小了DVL測(cè)速誤差對(duì)外阻尼橫坐標(biāo)系SINS的影響。
　　雖然利用阻尼技術(shù)可以阻尼掉橫坐標(biāo)系SINS中存在的周期

5、振蕩，但是無法抑制橫經(jīng)度、橫緯度以及航向角誤差的發(fā)散。為了解決橫坐標(biāo)系SINS誤差累積的問題，提出利用重力異常匹配輔助橫坐標(biāo)系SINS方案。在該方案中，針對(duì)重力場(chǎng)模型非線性及無具體解析式表達(dá)式的問題，利用粒子濾波（Partical Filter, PF)對(duì)重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。考慮到標(biāo)準(zhǔn)PF存在粒子退化問題，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PF進(jìn)行了優(yōu)化。在PF框架中嵌入容積卡爾曼濾波（Cubature Kalman Filter,CKF)，即利用CKF在濾

6、波當(dāng)前時(shí)刻根據(jù)量測(cè)信息得到重要性密度函數(shù)，同時(shí)在CKF量測(cè)更新階段利用Gauss-Newton迭代計(jì)算獲得系統(tǒng)狀態(tài)近似極大后驗(yàn)概率估計(jì)，從而減輕粒子退化速度，保證重力異常匹配精度，有效抑制了橫坐標(biāo)系SINS誤差累積。
　　在極區(qū)重力異常不可匹配區(qū)域，為了使橫坐標(biāo)SINS可以得到持續(xù)校正，設(shè)計(jì)了橫坐標(biāo)系SINS/重力異常匹配/DVL之間的三種不同組合模式，推導(dǎo)了3種組合模式下系統(tǒng)量測(cè)方程。針對(duì)DVL輸出受洋流影響的問題，提出了基于船