弹道环境下的陀螺/GPS组合姿态测量方法研究
发布时间：2023-05-23 19:32
发展低成本的有控弹箭是提高常规火炮武器系统射击精度的重要途径之一。为提高制导炮弹外弹道姿态测量精度,从而对其实施精准的弹道控制,本文围绕低成本MEMS陀螺姿态测量以及姿态非线性滤波技术中遇到的一些基础理论和问题,结合弹道学理论展开分析和研究。 首先建立了制导炮弹的刚体运动模型。通过对模型进行数值计算,解算出一条理论弹道,该弹道一方面为后面模拟弹载传感器测量值提供依据,另一方面也作为考虑测量误差的姿态标定值与估计值的对比基准,以评定标定与滤波算法精度。 针对低速旋转尾翼弹的弹道特性,分别提出基于忽略攻角和动力平衡角近似攻角假设条件下的飞行姿态空中标定方法。根据建立的弹道模型,研究低旋尾翼弹攻角运动特性,充分利用地面弹道试验数据和飞行测量数据,提出了由动力平衡角近似攻角来求解弹丸飞行姿态,推导出近似攻角假设下的姿态标定数学模型。同样基于忽略攻角假设,建立了弹箭简易飞行姿态标定模型,并通过仿真对比两种模型精度。在弹道滑翔段考虑平衡攻角的影响,研究了稳态飞行条件下的姿态角标定方法。本文简要分析研究了适用于全弹道的陀螺积分算法,并提出了利用姿态标定抑制陀螺积分产生的累积误差的方法。 建立了炮弹攻...
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
图表目录
1 绪论
1.1 制导炮弹的研究背景与意义
1.2 制导炮弹的研究现状与发展趋势
1.2.1 制导炮弹的研究现状
1.2.2 制导炮弹的发展趋势
1.3 制导炮弹姿态测量技术现状
1.3.1 弹箭姿态测量技术及现状
1.3.2 制导炮弹姿态测量技术面临的问题
1.3.3 姿态测量的非线性滤波技术
1.4 本文的结构安排
2 制导炮弹姿态测量系统组成与工作原理
2.1 制导炮弹飞行过程与姿态测量问题分析
2.2 微机电陀螺测量原理与误差
2.2.1 MEMS陀螺基本理论
2.2.2 MEMS陀螺的运动分析
2.2.3 MEMS陀螺误差分析
2.3 卫星定位系统组成与原理
2.3.1 系统组成
2.3.2 GPS定位误差
2.3.3 削弱误差影响的方法和措施
2.4 本文研究的姿态测量方法
2.5 本章小结
3 制导炮弹外弹道飞行模型
3.1 常用坐标系和坐标变换
3.1.1 常用坐标系定义
3.1.2 各坐标系间的转换关系
3.1.3 各方位角之间的关系
3.2 作用在制导炮弹上的力与力矩
3.2.1 相对速度和相对攻角
3.2.2 重力
3.2.3 空气动力
3.2.4 空气动力矩
3.3 弹箭运动方程的一般形式
3.3.1 弹箭质心运动方程
3.3.2 弹箭绕质心运动方程
3.3.3 弹箭刚体运动的一般方程
3.4 弹箭6D刚体和简化运动方程组
3.4.1 弹箭6自由度刚体弹道方程
3.4.2 修正质点弹道方程
3.5 本章小结
4 制导炮弹飞行姿态空中定标原理
4.1 飞行姿态标定的弹道环境
4.1.1 角运动形成的原因
4.1.2 球面坐标下弹轴和速度方位
4.1.3 炮弹角运动方程
4.1.4 炮弹攻角变化方程
4.2 制导炮弹的角运动特性
4.2.1 扰动对制导炮弹角运动的影响
4.2.2 动力平衡角的起因及推导
4.2.3 尾翼弹的导转和平衡转速
4.3 忽略攻角时的姿态初始标定
4.3.1 忽略攻角时弹道倾角、弹道偏角与俯仰角、偏航角之间的关系
4.3.2 炮弹直线段角速度特性
4.3.3 忽略攻角时初始滚转角标定原理
4.3.4 忽略攻角时俯仰角和偏航角初始标定
4.3.5 姿态初始标定仿真计算与分析
4.4 考虑动力平衡角时的姿态标定方法
4.4.1 动力平衡角变化规律
4.4.2 初始滚转角标定原理
4.4.3 俯仰角和偏航角初始标定方法
4.4.4 近似攻角条件下姿态初始标定仿真计算
4.5 考虑平衡攻角时的姿态标定方法
4.5.1 稳态飞行假设
4.5.2 滑翔段姿态角标定方法
4.5.3 仿真结果与分析
4.6 定周期陀螺积分
4.7 本章小结
5 炮弹飞行姿态非线性滤波估计方法
5.1 飞行姿态非线性卡尔曼滤波模型
5.1.1 一般形式的非线性卡尔曼滤波模型
5.1.2 飞行姿态估计状态模型
5.1.3 弹载传感器量测系统模型
5.2 基于扩展卡尔曼滤波进行飞行姿态估计
5.2.1 扩展卡尔曼滤波方程及其离散化
5.2.2 扩展卡尔曼滤波算法
5.2.3 二阶近似EKF算法
5.2.4 扩展卡尔曼平滑算法
5.2.5 线性近似EKF飞行姿态角估计
5.3 基于UKF算法的飞行姿态估计
5.3.1 UT变换
5.3.2 UKF滤波理论算法
5.3.3 UKF算法下的炮弹飞行姿态估计
5.4 Gauss-Hermite卡尔曼滤波
5.4.1 Gauss-Hermite卡尔曼滤波算法
5.4.2 基于GHKF的炮弹飞行姿态估计
5.5 容积卡尔曼滤波
5.5.1 球面-径向容积变换
5.5.2 CKF滤波算法
5.5.3 基于CKF的炮弹飞行姿态滤波估计
5.6 滤波估计结果对比分析
5.7 本章小结
6 MEMS陀螺测量原理与误差建模补偿
6.1 基于平稳时间序列的MEMS陀螺误差建模
6.1.1 确定性误差建模方法
6.1.2 随机误差建模方法
6.1.3 时间序列分析建模
6.1.4 MEMS陀螺随机误差建模仿真
6.2 小波神经网络随机误差建模方法
6.2.1 小波分析与小波变换
6.2.2 小波神经网络
6.2.3 随机误差小波神经网络建模
6.2.4 仿真结果与分析
6.3 MEMS陀螺小波滤波技术
6.3.1 小波多分辨分析
6.3.2 小波阈值滤波方法
6.3.3 不同小波函数滤波结果对比
6.4 本章小结
7 飞行姿态半实物仿真试验研究
7.1 仿真试验弹道模型与试验设备
7.1.1 弹道仿真模型
7.1.2 飞行姿态仿真转台
7.1.3 三轴MEMS陀螺
7.2 飞行姿态初始标定仿真
7.2.1 MEMS陀螺仿真输出
7.2.2 滚转角初始标定
7.2.3 俯仰角与偏航角初始标定
7.3 非线性滤波估计仿真
7.3.1 转台仿真理论姿态
7.3.2 EKF波仿真结果
7.3.3 CKF滤波仿真结果
7.4 测量系统抑制陀螺累积误差的方法仿真分析
7.5 本章小结
8 总结与展望
8.1 本文的主要工作
8.2 本文主要创新点
8.3 尚待进一步研究的问题
致谢
参考文献
附录
本文编号：3822225
【文章页数】：172 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
图表目录
1 绪论
1.1 制导炮弹的研究背景与意义
1.2 制导炮弹的研究现状与发展趋势
1.2.1 制导炮弹的研究现状
1.2.2 制导炮弹的发展趋势
1.3 制导炮弹姿态测量技术现状
1.3.1 弹箭姿态测量技术及现状
1.3.2 制导炮弹姿态测量技术面临的问题
1.3.3 姿态测量的非线性滤波技术
1.4 本文的结构安排
2 制导炮弹姿态测量系统组成与工作原理
2.1 制导炮弹飞行过程与姿态测量问题分析
2.2 微机电陀螺测量原理与误差
2.2.1 MEMS陀螺基本理论
2.2.2 MEMS陀螺的运动分析
2.2.3 MEMS陀螺误差分析
2.3 卫星定位系统组成与原理
2.3.1 系统组成
2.3.2 GPS定位误差
2.3.3 削弱误差影响的方法和措施
2.4 本文研究的姿态测量方法
2.5 本章小结
3 制导炮弹外弹道飞行模型
3.1 常用坐标系和坐标变换
3.1.1 常用坐标系定义
3.1.2 各坐标系间的转换关系
3.1.3 各方位角之间的关系
3.2 作用在制导炮弹上的力与力矩
3.2.1 相对速度和相对攻角
3.2.2 重力
3.2.3 空气动力
3.2.4 空气动力矩
3.3 弹箭运动方程的一般形式
3.3.1 弹箭质心运动方程
3.3.2 弹箭绕质心运动方程
3.3.3 弹箭刚体运动的一般方程
3.4 弹箭6D刚体和简化运动方程组
3.4.1 弹箭6自由度刚体弹道方程
3.4.2 修正质点弹道方程
3.5 本章小结
4 制导炮弹飞行姿态空中定标原理
4.1 飞行姿态标定的弹道环境
4.1.1 角运动形成的原因
4.1.2 球面坐标下弹轴和速度方位
4.1.3 炮弹角运动方程
4.1.4 炮弹攻角变化方程
4.2 制导炮弹的角运动特性
4.2.1 扰动对制导炮弹角运动的影响
4.2.2 动力平衡角的起因及推导
4.2.3 尾翼弹的导转和平衡转速
4.3 忽略攻角时的姿态初始标定
4.3.1 忽略攻角时弹道倾角、弹道偏角与俯仰角、偏航角之间的关系
4.3.2 炮弹直线段角速度特性
4.3.3 忽略攻角时初始滚转角标定原理
4.3.4 忽略攻角时俯仰角和偏航角初始标定
4.3.5 姿态初始标定仿真计算与分析
4.4 考虑动力平衡角时的姿态标定方法
4.4.1 动力平衡角变化规律
4.4.2 初始滚转角标定原理
4.4.3 俯仰角和偏航角初始标定方法
4.4.4 近似攻角条件下姿态初始标定仿真计算
4.5 考虑平衡攻角时的姿态标定方法
4.5.1 稳态飞行假设
4.5.2 滑翔段姿态角标定方法
4.5.3 仿真结果与分析
4.6 定周期陀螺积分
4.7 本章小结
5 炮弹飞行姿态非线性滤波估计方法
5.1 飞行姿态非线性卡尔曼滤波模型
5.1.1 一般形式的非线性卡尔曼滤波模型
5.1.2 飞行姿态估计状态模型
5.1.3 弹载传感器量测系统模型
5.2 基于扩展卡尔曼滤波进行飞行姿态估计
5.2.1 扩展卡尔曼滤波方程及其离散化
5.2.2 扩展卡尔曼滤波算法
5.2.3 二阶近似EKF算法
5.2.4 扩展卡尔曼平滑算法
5.2.5 线性近似EKF飞行姿态角估计
5.3 基于UKF算法的飞行姿态估计
5.3.1 UT变换
5.3.2 UKF滤波理论算法
5.3.3 UKF算法下的炮弹飞行姿态估计
5.4 Gauss-Hermite卡尔曼滤波
5.4.1 Gauss-Hermite卡尔曼滤波算法
5.4.2 基于GHKF的炮弹飞行姿态估计
5.5 容积卡尔曼滤波
5.5.1 球面-径向容积变换
5.5.2 CKF滤波算法
5.5.3 基于CKF的炮弹飞行姿态滤波估计
5.6 滤波估计结果对比分析
5.7 本章小结
6 MEMS陀螺测量原理与误差建模补偿
6.1 基于平稳时间序列的MEMS陀螺误差建模
6.1.1 确定性误差建模方法
6.1.2 随机误差建模方法
6.1.3 时间序列分析建模
6.1.4 MEMS陀螺随机误差建模仿真
6.2 小波神经网络随机误差建模方法
6.2.1 小波分析与小波变换
6.2.2 小波神经网络
6.2.3 随机误差小波神经网络建模
6.2.4 仿真结果与分析
6.3 MEMS陀螺小波滤波技术
6.3.1 小波多分辨分析
6.3.2 小波阈值滤波方法
6.3.3 不同小波函数滤波结果对比
6.4 本章小结
7 飞行姿态半实物仿真试验研究
7.1 仿真试验弹道模型与试验设备
7.1.1 弹道仿真模型
7.1.2 飞行姿态仿真转台
7.1.3 三轴MEMS陀螺
7.2 飞行姿态初始标定仿真
7.2.1 MEMS陀螺仿真输出
7.2.2 滚转角初始标定
7.2.3 俯仰角与偏航角初始标定
7.3 非线性滤波估计仿真
7.3.1 转台仿真理论姿态
7.3.2 EKF波仿真结果
7.3.3 CKF滤波仿真结果
7.4 测量系统抑制陀螺累积误差的方法仿真分析
7.5 本章小结
8 总结与展望
8.1 本文的主要工作
8.2 本文主要创新点
8.3 尚待进一步研究的问题
致谢
参考文献
附录
本文编号：3822225
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