基于潜器空间运动的惯导系统适应性问题研究

论文摘要

高精度惯性导航系统在惯性元件误差等误差源的激励下,会产生振荡误差、常值稳态误差和随时间积累的误差。采用阻尼技术能在不引入外部信息源、不降低系统自主性的前提下,实现惯导系统的周期振荡误差以及陀螺随机漂移激励的导航定位误差的衰减,有效的提高惯导系统精度。但由于阻尼技术的采用,引入了惯导系统的载体运动适应性问题。因此,如何合理的设计和完善阻尼技术,对于提高惯导系统的载体运动适应性,进而提高惯导系统导航定位精度具有重要的实际研究价值。本文以水下潜器用惯导系统为研究对象,开展状态转换判据研究、多阻尼技术研究和状态切换超调误差抑制技术研究,并构建基于潜器空间运动的惯导系统模拟器对研究内容进行仿真验证,实现提高潜器用惯导系统载体运动适应性的目标。通过对现有惯导系统工作方案的分析,开展惯导系统对潜器空间运动适应性的研究,提出惯导系统载体运动适应性问题以及研究该项技术的重要意义。而后,针对潜器特殊的应用需求,以潜器空间六自由度运动模型为基础,建立考虑风、浪、流等海洋环境影响因素在内的实用数学模型,构建基于潜器空间运动的惯导系统误差仿真体系,为解决惯导系统运动适应性问题提供仿真环境,并通过潜器操纵性仿真完成功能正确性验证。针对INS状态转换过程中出现的判据滞后问题,通过对潜器空间操控信息与运动特征对应关系的研究,提出通过潜器操纵信息作为INS状态转换判据的方法,从而解决惯导系统状态切换时存在的延时问题。针对惯导系统在状态转换时刻存在的超调误差问题,通过分析状态转换前后陀螺施矩信息,提出通过在切换时刻对陀螺控制角速率信息进行补偿的办法,对状态转换超调误差进行抑制。针对24小时地球周期振荡误差抑制问题,提出多方位阻尼惯导系统方案,并开展三阶多方位阻尼系数的阻尼网络设计,以更好的适应潜器的空间运动。本文在完成状态转换判据设计、超调误差抑制和多方位阻尼设计的基础上,通过构建的惯导系统误差仿真体系对设计方案进行了正确性验证。验证结果表明,所开展的研究工作对于提高潜器用惯导系统的载体运动适应性具有重要作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究发展历程和现状
• 1.2.1 惯导系统的发展历程和现状
• 1.2.2 潜艇器操控研究的发展历程和现状
• 1.2.3 惯导系统仿真技术的发展历程和现状
• 1.2.4 惯导系统运动适应性研究的发展历程和现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第2章 潜器空间运动建模技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 潜器空间运动模型的建立
• 2.2.1 动系与定系的转换关系
• 2.2.2 潜器空间运动的标准方程
• 2.3 潜器空间运动模型的简化
• 2.4 复杂海洋环境下的潜器空间运动建模
• 2.4.1 海风作用下的潜器空间运动模型
• 2.4.2 海流作用下的潜器空间运动模型
• 2.4.3 海浪作用下的潜器空间运动模型
• 2.4.4 海洋环境干扰作用下的潜器空间运动简化模型
• 2.5 潜器操纵性的仿真验证
• 2.5.1 不同航速下潜器的空间运动仿真
• 2.5.2 潜器逆速运动仿真
• 2.5.3 首、尾升降舵信息对潜器空间运动的影响
• 2.5.4 方向舵信息对潜器空间运动的影响
• 2.5.5 海风对潜器空间运动的影响
• 2.5.6 海流对潜器空间运动的影响
• 2.5.7 海浪对潜器空间运动的影响
• 2.6 本章小结
• 第3章 船用惯导系统的运载体运动适应性分析
• 3.1 引言
• 3.2 惯性导航系统原理
• 3.2.1 平台惯导系统基本原理
• 3.2.2 捷联惯导系统基本原理
• 3.3 惯导系统的运动适应性及工作方式
• 3.3.1 舒勒调整条件
• 3.3.2 无阻尼工作状态
• 3.3.3 水平阻尼工作状态
• 3.3.4 全阻尼工作状态
• 3.3.5 三点法校正
• 3.4 惯导系统的误差分析
• 3.4.1 常值元件误差源激励的系统误差
• 3.4.2 捷联式惯导系统特有的误差源
• 3.4.3 惯导系统的运动适应性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于潜器空间运动的惯导系统误差仿真体系构建
• 4.1 引言
• 4.2 潜器空间运动信息到平台式惯导系统的嵌入
• 4.2.1 "定系"与"动系"的旋转关系
• 4.2.2 "定系"与潜器当地地理坐标系的旋转关系
• 4.2.3 "动系"与当地地理坐标系的旋转关系
• 4.2.4 潜器空间运动信息到导航坐标系的转换
• 4.3 平台式惯导系统嵌入算法仿真
• 4.3.1 定深悬停状态下的仿真验证
• 4.3.2 匀速回转运动状态下的仿真验证
• 4.4 潜器空间运动信息到捷联式惯导系统的嵌入
• 4.4.1 "动系"到载体坐标系的转换关系
• 4.4.2 载体坐标系到地理坐标系的转换关系
• 4.4.3 潜器的空间运动信息至导航坐标系下的转换
• 4.4.4 三轴角速率信息输出
• 4.4.5 三轴比力信息输出
• 4.5 潜器空间运动到捷联式惯导系统的仿真
• 4.5.1 匀速直航运动状态下的仿真验证
• 4.5.2 复杂空间运动状态下的仿真验证
• 4.5.3 嵌入后的捷联惯导系统的误差特性仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 惯导系统状态转换技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 潜器操纵信息对潜器空间运动的影响
• 5.2.1 定深悬停运动状态
• 5.2.2 不施加升降舵（方向舵）信息时的直航运动状态
• 5.2.3 施加首、尾升降舵角的升沉运动
• 5.2.4 不施加首、尾升降舵信息时的回转运动
• 5.2.5 施加复合操纵信息时的复杂空间运动
• 5.3 基于潜器空间运动的惯导系统状态切换技术
• 5.4 惯导系统状态切换的超调误差分析
• 5.5 无阻尼至内水平阻尼的状态切换
• 5.5.1 状态切换时的误差补偿方法
• 5.5.2 计算机仿真
• 5.6 无阻尼工作方式切换为外水平阻尼工作方式
• 5.6.1 状态切换时的误差补偿方法
• 5.6.2 计算机仿真验证
• 5.7 无阻尼工作方式切换为全阻尼工作方式
• 5.7.1 状态切换超调误差分析
• 5.7.2 状态切换超调抑制技术
• 5.7.3 计算机仿真
• 5.8 本章小结
• 第6章 基于多方位阻尼惯导系统的技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 方位阻尼的作用
• 6.3 方位阻尼网络设计的结构、形式
• 6.4 方位阻尼网络的设计原则
• 6.5 多阻尼系数的方位网络设计方法
• 6.5.1 方位阻尼网络参数设计
• 6.5.2 方位阻尼网络参数设计仿真验证
• 6.5.3 多方位阻尼网络的数学统一模型
• 6.6 计算机仿真验证
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢