船用光纤捷联系统传递对准技术研究

论文摘要

传递对准是一种动基座对准,它利用高精度的主惯导系统来校准未对准好的子惯导系统。在现代战争中,要求武器系统有快速的反应能力和精确的打击能力,因此能快速而且准确的对武器系统的惯导系统进行传递对准,已经成为了武器装备中的一项关键技术。本文根据舰船环境下的特点,针对船用光纤捷联惯导系统的传递对准技术进行了深入研究。首先,根据惯导系统的基本原理给出了捷联系统的比力方程和捷联矩阵微分方程,分析惯导系统的主要误差源并建立了惯性器件误差模型,然后在比力方程和微分方程的基础上推导了速度误差方程和姿态误差方程。在主、子惯导系统之间的失准角为小角度的条件下,分别推导了速度匹配、姿态匹配以及速度加姿态匹配三种传递对准常用匹配方式的微分方程并建立了卡尔曼滤波模型。根据舰船的运动特点,选取舰船常见的运动方式作为仿真条件,对传递对准三种匹配方法进行仿真研究。从仿真结果中可以得出舰船在系泊状态下速度匹配传递对准的效果最好；舰船在摇摆状态下,姿态匹配和速度加姿态匹配传递对准都能快速而准确的估计出安装误差角；当舰船有线运动和加速运动时,对速度匹配和速度加姿态匹配的对准效果有所提高,对于姿态匹配没有太大的影响。其次,研究了影响传递对准精度的因素,并着重对杆臂效应误差和惯性器件测量误差进行研究。分析了杆臂效应误差产生的机理,建立了杆臂效应误差模型。在速度匹配传递对准的基础上考虑杆臂误差项,建立状态方程并将杆臂长度作为状态变量,通过卡尔曼滤波将杆臂长度估计出来,然后在杆臂长度已知的条件下利用计算补偿方法有效地提高了对准精度。之后研究了惯性测量组件的测量误差在传递对准中的影响,通过仿真证实子惯导系统中的陀螺和加速度计误差都会对传递对准精度产生影响,其中陀螺相对于加速度计对于对准精度的影响更严重一些。当陀螺的标度因数误差和安装误差达到一定程度时,会引起较大的失准角误差,所以在实际应用时要对子惯导的器件误差进行补偿,从而提高对准精度。最后,利用实验室自研的光纤捷联系统设计并实施海上航行试验,分别在系泊状态和直航状态下,采用姿态匹配和速度加姿态匹配传递对准对试验数据进行处理和分析。通过试验结果得出结论,舰船的运动状态直接影响到传递对准的结果,运动状态下的传递对准效果要比系泊状态下的较好,速度加姿态匹配方式较姿态匹配方式速度快精度高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 惯性导航系统概述
• 1.2 捷联式惯性导航系统初始对准
• 1.3 捷联惯导系统的传递对准技术
• 1.4 传递对准国内外研究现状
• 1.5 课题研究的背景和意义
• 1.6 论文的章节安排
• 第2章 捷联系统传递对准的基本理论
• 2.1 捷联惯性系统的理论基础
• 2.1.1 传递对准中坐标定义
• 2.1.2 捷联惯性系统的比力方程
• 2.1.3 捷联矩阵的微分方程
• 2.2 捷联惯性系统误差方程
• 2.2.1 误差源
• 2.2.2 惯性器件误差模型
• 2.2.3 速度误差方程
• 2.2.4 姿态误差方程
• 2.2.5 捷联惯性系统的状态方程
• 2.3 卡尔曼滤波的基本理论
• 2.3.1 卡尔曼滤波理论
• 2.3.2 离散卡尔曼滤波方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 船用传递对准技术匹配方法研究
• 3.1 速度匹配传递对准
• 3.1.1 速度匹配传递对准微分方程
• 3.1.2 速度匹配滤波器设计
• 3.2 姿态匹配传递对准
• 3.2.1 姿态匹配传递对准微分方程
• 3.2.2 姿态匹配滤波器设计
• 3.3 速度加姿态匹配传递对准
• 3.3.1 速度加姿态匹配传递对准微分方程
• 3.3.2 速度加姿态姿态匹配滤波器设计
• 3.4 舰船运动状态对传递对准结果的影响
• 3.4.1 仿真条件
• 3.4.2 系泊状态下的匹配算法仿真
• 3.4.3 摇摆状态下的匹配算法仿真
• 3.4.4 匀速直航状态算法仿真
• 3.4.5 匀加速度直航状态算法仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 影响传递对准精度的因素分析
• 4.1 杆臂效应误差研究
• 4.1.1 杆臂效应产生机理
• 4.1.2 杆臂长度估计的滤波器设计
• 4.1.3 杆臂长度估计的仿真分析
• 4.1.4 杆臂效应误差的补偿
• 4.1.5 杆臂效应补偿的仿真分析
• 4.2 惯性器件误差研究
• 4.2.1 惯性器件误差模型
• 4.2.2 器件误差对传递对准的影响
• 4.2.3 器件误差仿真分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 船用捷联系统传递对准海上试验
• 5.1 海上航行试验方案及试验设备
• 5.1.1 试验中用到的主要设备
• 5.1.2 海上试验方案
• 5.2 海上试验内容及试验结果分析
• 5.2.1 试验准备
• 5.2.2 海上系泊试验
• 5.2.3 海上航行试验
• 5.2.4 试验结果分析
• 5.3 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