基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制與氣動模型輔助慣性的自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對抗性的加強(qiáng)與民用科技應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用也暴露出越來越多的問題，因此對以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主的自主類導(dǎo)航系統(tǒng)及自主導(dǎo)航技術(shù)提出了越來越高的要求。本文分別針對旋轉(zhuǎn)光纖慣性導(dǎo)航與氣動模型輔助導(dǎo)航兩種自主式導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，相應(yīng)研究工作對提高導(dǎo)航系統(tǒng)自主導(dǎo)航性能具有較好的參考價(jià)值。
　　由于陀螺是旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)）的主要元件之一，論文首先對光纖陀螺隨機(jī)誤差性能評價(jià)與仿真建

2、模方法展開了研究工作。提出了基于加權(quán)最小二乘法的ALLAN方差法，有效提高了噪聲參數(shù)的估計(jì)精度；研究了ALLAN方差法與N秒平均法的內(nèi)在關(guān)系，推導(dǎo)了兩種光纖陀螺隨機(jī)誤差性能評價(jià)方法指標(biāo)的關(guān)系表達(dá)式；提出了一種基于性能指標(biāo)的光纖陀螺隨機(jī)誤差模型參數(shù)估計(jì)方法，提高了光纖陀螺信號仿真的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。通過對陀螺隨機(jī)誤差特性的研究工作，對旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、誤差分析、仿真建模具有重要參考意義。
　　盡管旋轉(zhuǎn)慣性導(dǎo)航方法可以有效提高定位

3、精度，但由于增加了轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，給傳統(tǒng)的慣導(dǎo)系統(tǒng)解算算法帶來了新的變化，并呈現(xiàn)出新的誤差特性。因此，論文隨后研究了單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸選取方案，并從抑制陀螺誤差傳播的角度分析了不同轉(zhuǎn)軸選取方案對系統(tǒng)精度的影響，對單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸方向選取具有一定的參考價(jià)值；研究了旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中陀螺隨機(jī)誤差的調(diào)制效果，分別推導(dǎo)了陀螺隨機(jī)誤差在慣導(dǎo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的誤差傳播公式，并對比分析驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)調(diào)制對陀螺隨機(jī)誤差引起導(dǎo)航誤差的補(bǔ)償效果。通過對旋轉(zhuǎn)

4、調(diào)制機(jī)理的研究工作，對于旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的器件選型、轉(zhuǎn)動方案設(shè)計(jì)、誤差分析具有較好的指導(dǎo)意義。
　　考慮到旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在補(bǔ)償慣性器件誤差的同時也引入了轉(zhuǎn)動相關(guān)誤差，本文對單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)誤差特性展開了深入的研究工作。根據(jù)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)，建立了安裝誤差、臺面跳動量、轉(zhuǎn)角誤差的數(shù)學(xué)模型，研究了上述誤差對系統(tǒng)導(dǎo)航精度的影響，推導(dǎo)了誤差傳播公式；此外，研究了單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)圓錐誤差特性，建立了旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的圓錐運(yùn)動模型，并分析和驗(yàn)證

5、了多子樣算法在單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)圓錐誤差補(bǔ)償中的效果。通過轉(zhuǎn)動相關(guān)誤差研究工作，為轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供較好的理論依據(jù)，對單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在高動態(tài)環(huán)境下的性能分析具有一定參考價(jià)值。
　　作為論文的實(shí)際工作之一，本課題組基于俄羅斯VG951型光纖陀螺與SDI-I/A型撓性加速度計(jì)等慣性組件，設(shè)計(jì)并完成了單軸旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，并對其1小時與8小時靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的定位精度相對于傳統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)提高了5

6、倍以上，驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的有效性。
　　考慮到自主導(dǎo)航的需求和特點(diǎn)，論文從信息挖掘的角度出發(fā)，對基于氣動模型輔助的一類自主導(dǎo)航新技術(shù)展開了探索性的前沿研究工作。氣動模型輔助導(dǎo)航方法是近年來發(fā)展的一種飛行器新型自主式導(dǎo)航方法，具有自主性強(qiáng)、成本低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具備較好的發(fā)展前景。本文分別針對固定翼飛行器與四旋翼飛行器兩類飛行器，對氣動模型輔助導(dǎo)航方案、誤差特性及仿真方法等目前亟待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。
　　目前小型

7、固定翼飛行器對GPS的依賴性較強(qiáng)，為提高GPS失效時的測速、定位精度，本文研究了固定翼飛行器的氣動模型輔助導(dǎo)航方案。分析了氣動模型導(dǎo)航參數(shù)解算流程，研究了氣動模型導(dǎo)航參數(shù)解算的誤差特性，并推導(dǎo)了其誤差方程；提出了一種氣動模型/慣性/GPS融合方案，建立了濾波方程，可有效提高GPS失效時純慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航精度；研究了固定翼飛行器氣動模型輔助導(dǎo)航閉環(huán)仿真綜合驗(yàn)證平臺的實(shí)現(xiàn)方法，基于Simulink軟件提出了一種以AeroSim模塊庫為主體的平

8、臺構(gòu)架，并基于Aerosonde固定翼飛行器構(gòu)建了仿真平臺。通過對固定翼飛行器氣動模型輔助導(dǎo)航方法的研究工作，對提高固定翼飛行器的自主導(dǎo)航性能具有潛在的參考價(jià)值。
　　由于氣動模型輔助導(dǎo)航方法與飛行器氣動模型特性密切相關(guān)，不同類型飛行器的氣動模型輔助導(dǎo)航方案并不相同，因此本文同時研究了四旋翼飛行器的氣動模型輔助導(dǎo)航方案。分析了四旋翼飛行器的氣動模型特性，并建立了適用于輔助導(dǎo)航氣動模型；基于該模型，提出了氣動模型/慣性/磁傳感器/氣

9、壓高度計(jì)融合方案，設(shè)計(jì)了算法流程，并分析了該方案的誤差特性；基于OS4四旋翼飛行器構(gòu)建了仿真平臺，通過仿真證實(shí)了該方案的理論正確性；基于課題組研制的多傳感器搭載四旋翼飛行試驗(yàn)平臺，通過室內(nèi)懸停、室內(nèi)機(jī)動飛行、室外懸停、室外航跡飛行多種試驗(yàn)對該方案的實(shí)際性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，在GPS失效時氣動模型輔助導(dǎo)航方案相對于傳統(tǒng)方案可提高測速、定位精度1個數(shù)量級以上。通過對四旋翼飛行器氣動模型輔助導(dǎo)航方法的研究工作，對于提高四旋翼飛行器的自