大方位失准角下舰载机捷联惯导系统传递对准技术研究

论文摘要

舰载机在现代战争中发挥着非常重要的作用,为了提高舰载机的生存能力、快速反应能力以及机载导弹的命中率,必须快速准确地完成舰载机惯导系统的初始对准。由于舰船所处的环境比较复杂而且受到诸多干扰因素的影响,因此,通常采用传递对准来解决舰载机惯导系统的初始对准问题。舰载机停靠在舰船甲板上的任意位置,而舰船主惯导系统却安装在甲板下方的导航室,此时,主、子惯导系统之间的方位失准角可能存在很大的差异。因此,本文主要针对大方位失准角下舰载机惯导系统的传递对准技术进行研究。论文以捷联惯导系统为研究对象,详细推导了大方位失准角下惯导系统的非线性姿态误差方程和非线性速度误差方程。基于欧拉运动学的原理,详细推导了主、子惯导系统之间的速度、加速度、角速度以及位置关系。对于非线性模型的滤波问题,深入研究了EKF和UKF两种非线性滤波方法。首先介绍了EKF方法的基本原理及其滤波方程,在详细阐述了UKF方法的基本概念、常用的采样策略之后给出了非线性系统的UKF实现算法。当系统的量测方程为线性时,给出了简化的UKF算法。最后通过仿真实验,对EKF和UKF方法的性能进行了简单的比较。针对大方位失准角的情况,详细推导了速度匹配、速度加姿态匹配和速度加角速度匹配传递对准的非线性模型。根据不同的匹配方法建立相应的滤波模型,然后结合第三章中介绍的UKF算法进行了数学仿真。针对不同的仿真条件,分别对三种匹配方法进行了对比研究。当杆臂长度未知时,提出了反求杆臂长度计算法以及在线实时估计杆臂长度的方法。在获取杆臂长度之后,采用加速度计输出补偿法对杆臂效应误差进行补偿。然后,分别采用速度加姿态匹配和速度加角速度匹配方法对舰船甲板挠曲变形的补偿进行了仿真分析。当考虑舰船为非刚性情况时,在舰船挠曲变形模型的基础上详细推导了挠性杆臂加速度以及挠性杆臂速度的表达式。针对挠性杆臂效应以及挠曲变形的补偿问题,提出了统一建立杆臂效应与挠曲变形模型的补偿方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 舰载机惯导系统初始对准技术
• 1.3 捷联惯导系统传递对准技术
• 1.3.1 传递对准技术概述
• 1.3.2 传递对准技术的研究现状
• 1.4 滤波理论在初始对准中的应用
• 1.5 论文主要研究内容
• 第2章 捷联惯导系统传递对准基本理论
• 2.1 传递对准中常用坐标系定义及符号说明
• 2.1.1 常用坐标系定义
• 2.1.2 坐标系之间的转换关系
• 2.1.3 常用符号说明
• 2.2 捷联惯性导航系统误差方程
• 2.2.1 姿态误差方程
• 2.2.2 速度误差模型
• 2.2.3 位置误差模型
• 2.2.4 惯性测量器件误差模型
• 2.3 主子惯导系统之间运动学方程
• 2.3.1 速度关系
• 2.3.2 加速度关系
• 2.3.3 角速度关系
• 2.3.4 位置关系
• 2.4 捷联惯导系统传递对准匹配方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 非线性滤波方法
• 3.1 连续系统离散化
• 3.2 扩展卡尔曼滤波方法
• 3.3 Unscented卡尔曼滤波方法
• 3.3.1 Unscented变换
• 3.3.2 Unscented卡尔曼滤波算法
• 3.3.3 线性量测方程下的简化UKF算法
• 3.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 大方位失准角下舰载机传递对准技术研究
• 4.1 舰载机捷联惯导系统传递对准
• 4.2 速度匹配传递对准
• 4.2.1 速度匹配非线性误差模型
• 4.2.2 速度匹配传递对准滤波模型
• 4.3 速度加姿态匹配传递对准
• 4.3.1 速度加姿态匹配非线性误差模型
• 4.3.2 速度加姿态匹配传递对准滤波模型
• 4.4 速度加角速度匹配传递对准
• 4.4.1 建立模型的条件
• 4.4.2 速度加角速度匹配传递对准滤波模型
• 4.5 传递对准仿真研究
• 4.5.1 仿真条件及参数
• 4.5.2 速度匹配传递对准仿真
• 4.5.3 速度加姿态匹配传递对准仿真
• 4.5.4 速度加角速度匹配传递对准仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 杆臂效应和挠曲变形误差的补偿研究
• 5.1 杆臂效应误差补偿
• 5.1.1 传递对准中的杆臂效应
• 5.1.2 长度未知时的刚性杆臂效应误差补偿
• 5.1.3 仿真分析
• 5.2 舰船挠曲变形误差补偿
• 5.2.1 舰船挠曲变形模型
• 5.2.2 挠曲变形误差补偿
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 杆臂效应与挠曲变形一体化误差补偿
• 5.3.1 杆臂效应与挠曲变形一体化误差模型
• 5.3.2 滤波模型
• 5.3.3 仿真分析
• 5.4 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