战术制导武器捷联惯导系统快速传递对准研究

论文摘要

世界政治格局已由两极对峙状态转化为多极化状态,因而世界各国的军事战略也随之发生了巨大的变化。随着世界局部战争的发展,世界各军事大国的军事战略由原来的以全国性的战略防御和进攻为重点逐渐转变为以战区防御和进攻为重点。而在战区军事防御和进攻中,战术制导武器扮演着重要角色。为了适应灵活性、多变性和突发性的战术特点,要求战术制导武器捷联惯导系统对准速度快,精度高,鲁棒性强。而如何解决惯导系统对准精确性和快速性之间的矛盾一直是惯性技术领域研究的难点课题。另外由于战术制导武器一般在运载体上发射,其所处的环境比较恶劣,所以其对准性能的鲁棒性也更为重要。为解决上述问题,本文将小波理论和鲁棒滤波理论应用于传递对准,取得了以下几方面的成果。针对运载体上的主惯导系统多数是平台惯导系统,它不能直接给出角速度信息的特点,提出了新的快速传递对准方案,即速度加姿态变化量匹配方案。该方案直接对主、子惯导的导航坐标系之间的失准角进行估计,次优Kalman滤波状态变量只有6个。仿真研究表明,该方案是十分有效的。提出了二次快速传递对准和三次快速传递对准的概念和方法。在此基础上给出了机载导弹空中二次快速传递对准的方法、垂直发射舰载高速导弹二次快速传递对准和三次快速传递对准的方法。三种对准方法在对准第一阶段均采用速度加姿态变化量匹配方法,完成由运载体主惯导对弹载SINS的第一次传递对准。第一次传递对准是在导弹发射之前进行的,主要完成航向对准,同时初步完成水平对准。在对准第二阶段采用速度匹配方法,完成由弹载GPS对弹载SINS的第二次传递对准。对于机载导弹的空中对准来说,第二次传递对准的任务是导弹发射后在导弹上进一步完成水平对准。对于垂直发射的舰载导弹来说,第二次传递对准是在垂直上升阶段进行的,其任务是进一步完成水平对准。而舰载导弹的第三次传递对准是在水平飞行过程中进行的,其任务是再一次进行航向对准。二次和三次快速传递对准方法极大的缩短了发射前的对准时间。深入研究了机动运动对状态变量可观测度的影响,提出了Kalman滤波器观测增强方法,进而从理论上证明了增加机动运动的强度可以提高状态变量的可观测度,并提出了提高状态变量可观测度的几种方法。以基于Krein空间的H_∞滤波理论为基础,将H_∞滤波用于快速传递对准,对滤波与Kalman滤波的估计精度对不确定噪声的鲁棒性进行了研究。结果表明,在一定的噪声不确定性范围内,Kalman滤波对于噪声的不确定性是具有一H_∞定的鲁棒性的,并且就精度而言,其鲁棒性优于H_∞滤波,但滤波的估计速度优于Kalman滤波。在此基础上提出了基于H_∞滤波与Kalman滤波联合滤波的二次快速传递对准的方法。即第一次传递对准利用H_∞滤波器估计速度快的这一优点,通过速度匹配进行水平对准;第二次对准采用Kalman滤波器通过速度加姿态变化量匹配方案进行航向对准。将基于Krein空间的鲁棒Kalman滤波器用于快速传递对准。结果表明,在有参数摄动的情况下,通过适当选择等效白噪声的强度以及鲁棒Kalman滤波器参数,鲁棒Kalman滤波器的精度鲁棒性优于标准Kalman滤波器。以小波变换和提升小波变换理论为基础,将小波滤波和提升小波滤波用于快速传递对准。提出了基于批次小波预滤波和基于批次提升小波预滤波的自适应快速传递对准方法,研究结果表明方法是十分有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源以及研究的目的和意义
• 1.2 SINS对准技术研究状况
• 1.2.1 动基座传递对准技术研究进展
• 1.2.2 滤波理论在导航中的应用研究进展
• 1.2.3 鲁棒滤波的研究进展
• 1.2.4 小波及其滤波理论的研究进展
• 1.2.5 小波滤波在惯性导航中的应用研究进展
• 1.2.6 GPS/SINS组合导航系统对准的研究进展
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 相关滤波理论基础
• 2.1 小波变换与小波滤波
• 2.1.1 离散序列的小波变换
• 2.1.2 基于提升格式的小波变换
• 2.1.3 小波滤波理论
• 2.1.4 基于第二代小波的滤波
• 2.1.5 用于滤波的小波基选择
• 2.1.6 仿真
• 2.2 Krein空间线性估计理论基础
• 2.2.1 Krein空间理论基础
• 2.2.2 Krein空间中的投影
• 2.2.3 投影与二次型
• 2.2.4 状态空间结构
• 2.2.5 Krein空间Kalman滤波公式
• 2.3 本章小结
• 第3章 捷联惯性导航系统
• 3.1 捷联惯导导航计算
• 3.1.1 飞行器速度和位置计算
• 3.1.2 飞行器姿态计算
• 3.1.3 捷联矩阵的即时修正
• 3.2 捷联惯导系统的数学模型
• 3.2.1 数学模型的编排
• 3.2.2 初始条件的给定
• 3.3 捷联惯导系统的初始对准
• 3.4 本章小结
• 第4章 传递对准方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 快速传递对准模型
• 4.2.1 建立模型的基本条件
• 4.2.2 速度误差模型
• 4.2.3 姿态误差模型
• 4.3 速度加姿态变化量匹配方法研究
• 4.3.1 传递对准模型
• 4.3.2 传递对准模型的性质
• 4.3.3 仿真研究
• 4.4 机载导弹空中二次快速传递对准方法研究
• 4.4.1 第一次传递对准模型
• 4.4.2 第二次传递对准模型
• 4.4.3 仿真
• 4.5 舰载高速导弹的二次快速传递对准方法研究
• 4.5.1 传递对准方法及模型
• 4.5.2 仿真条件及参数
• 4.5.3 仿真结果
• 4.6 舰载高速导弹的三次快速传递对准方法研究
• 4.7 本章小结
• 第5章 传递对准的可观测性和可观测度分析
• 5.1 引言
• 5.2 传递对准的可观测性分析
• 5.3 状态变量的可观测度分析
• 5.3.1 误差方差阵的特征值分析方法
• 5.3.2 基于可观测矩阵的奇异值分析方法
• 5.4 Kalman滤波器的观测增强
• 5.4.1 Kalman滤波器的观测增强理论
• 5.4.2 观测增强Kalman滤波器的应用
• 5.4.3 仿真研究
• 5.5 关于Kalman滤波器的讨论
• 5.5.1 收敛速度和滤波周期的关系
• 5.5.2 收敛速度和方差初值的关系
• 5.5.3 跟踪能力
• 5.5.4 噪声强度对估计效果的影响
• 5.5.5 关于可观测性问题的进一步讨论
• 5.6 本章小结
• 第6章 传递对准滤波方法的改进
• ∞与Kalman联合对准滤波方法研究'>6.1 H_∞与Kalman联合对准滤波方法研究
• ∞滤波'>6.1.1 H_∞滤波
• ∞滤波与Kalman滤波的仿真比较'>6.1.2 H_∞滤波与Kalman滤波的仿真比较
• 6.1.3 二次快速传递对准方法
• 6.2 传递对准的鲁棒Kalman滤波方法研究
• 6.2.1 引言
• 6.2.2 问题描述
• 6.2.3 Krein空间鲁棒Kalman滤波器
• 6.2.4 Krein空间鲁棒Kalman滤波器算法
• 6.2.5 Krein空间鲁棒Kalman滤波器算法分析
• 6.2.6 快速传递对准模型
• 6.2.7 仿真研究
• 6.3 基于小波预滤波的快速传递对准滤波方法研究
• 6.3.1 引言
• 6.3.2 含噪信号的方差与噪声方差的关系
• 6.3.3 基于批次小波预滤波的对准滤波方法
• 6.3.4 基于批次提升小波预滤波的对准滤波方法
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历