传递对准与组合导航滤波器优化设计方法研究

发布时间：2020-04-12 05:18

【摘要】：近年来国家综合实力逐步增强,为保卫国家领土安全和维护区域和平稳定,我国军队对于提高武器系统性能,特别是武器系统超视距精确打击能力有了越来越高的要求。惯性导航系统作为当前绝大部分导弹武器系统的关键设备,初始对准精度决定了纯惯性状态下导航系统性能。战场态势多变与突发等特点,要求武器系统满足准备时间短、打击精度高和操作使用维护简单等要求,如何通过合理优化系统设计方案以实现武器惯导系统传递对准精度与速度、可靠性与简化操作之间的平衡是惯性技术领域的难点。同时,随着军队实战化要求提高,对低成本高精度武器系统的需求越来越大;我国北斗二代卫星导航系统日臻完善,卫星导航技术的应用不再受到其它国家的制约与掣肘;随着工艺水平的进步,微机械惯性传感器的稳定性和精度逐步提高,使得研发低成本GNSS/INS组合导航系统成为可能。综合上述分析,论文重点对传递对准与组合导航滤波器优化设计方法开展研究,主要研究工作如下:首先,分析证明了两种常用快速传递对准系统模型的相互转换关系,以此为基础,研究了能够抑制机翼挠曲形变的滑翔起飞快速高精度传递对准方法,简化了空中传递对准流程,有利于提高武器系统自动化水平。在分析传递对准线性化系统模型偏差来源的基础上,给出差分姿态观测模型和线性化状态模型偏差直接补偿方法,提高了传递对准精度,使得传递对准误差散布具有更好的各向一致性,满足战术武器系统精度需求。为进一步解决战略武器高精度传递对准问题,提出了一种基于虚拟主惯导基准的传递对准方法,在不改变线性化传递对准系统模型的前提下,仅需略微调整计算流程,即能实现角秒级高精度传递对准,方便工程应用与推广。其次,深入研究了惯性导航传递对准系统优化设计方法。从卡尔曼滤波器带宽特性分析、先验信息及非平稳随机过程对滤波器性能影响等方面着手,考虑到姿态运动特性与传递对准可观测度之间的关系,研究提出了基于姿态频谱与新息序列分析的传递对准自适应卡尔曼滤波方法。通过载体姿态频谱特性分析,搜索匹配滤波器基础参数,利用新息序列协方差分析,动态调节滤波器可变参数,在使系统对非高斯测量噪声具有更强抑制能力的同时,很大程度上解决了新息序列自适应滤波器稳定性欠佳的问题。在传统多模型自适应滤波方法的基础上,为实现滤波器全局稳定和估计精度的优化平衡,结合传递对准状态估计值稳态特性,对多模型自适应卡尔曼滤波器加权融合分配策略进行改良。以状态估计平稳度和状态估计均值二阶中心矩作为对准精度综合衡量指标,构建新的多滤波器加权融合分配因子,从而实现系统综合性能的优化。此外,针对传递对准工程应用中的数据时间延迟问题和精度在线评估需求,研究了以姿态相位协方差为代价函数的传递对准时延处理方法,并推导了传递对准精度在线检验算法,数值仿真给出的误差性能曲线验证了算法的有效性。最后,对低成本GNSS/INS组合导航系统优化设计方法进行了研究。在分析卫星导航误差来源和误差建模分析的基础上,结合对流层延迟与信号传输路径对流层厚度的正相关特性,研究给出了基于对流层延迟自适应估计的多阶卫星导航定位算法。以此为基础,通过分析惯性导航偏差耦合特性,为平衡模型精度、计算复杂度和滤波稳定性,提出了一种新的“水平+航向+高程”分通道联合系统设计方案,并采用协方差成形自适应滤波方法设计组合导航数据融合滤波器,以抑制卫星定位误差时间相关有色噪声对系统精度的影响,提高组合系统长航时导航定位性能。综上所述,论文从分析惯性导航偏差耦合特性和卫星导航测量伪距误差特性出发,以新息序列检验、多模型融合优化和协方差匹配分析为切入点,重点对传递对准和组合导航系统优化设计方法进行了研究,为快速高精度传递对准系统设计和低成本、高精度GNSS/INS组合导航系统设计提供方法与方案参考,具有较强的工程实用价值。
【图文】：

攻击武器,联合制,传递对准

第 1 章绪论1.2 惯性导航传递对准技术国内外研究现状分析传递对准技术作为武器系统快速确定自身初始化导航参数的重要手段，已被广泛应用于空基导弹系统、海基导弹系统和潜基导弹系统等武器系统中，例如：美国的“联合制导攻击武器(JDAM)[1]”如图 1-1 所示，在空中准备阶段利用传递对准技术完成系统初始对准；美国的“哈姆”反辐射导弹(AGM-88D)[2]、“捕鲸叉”空舰导弹[3]、英国的“海鹰”系列反舰导弹，法国的“飞鱼”系列反舰导弹[4]等。传递对准不仅能够确定惯性导航初始姿态参数，也能修正部分陀螺仪和加速度计器件偏差，从而显著提高武器系统性能[5]。下面首先对惯性导航传递对准技术的国内外发展状况进行介绍与分析，再重点讨论不同因素对于传递对准系统性能的影响。

反辐射导弹,传递对准,惯性导航,武器系统

第 1 章绪论1.2 惯性导航传递对准技术国内外研究现状分析传递对准技术作为武器系统快速确定自身初始化导航参数的重要手段，，已被广泛应用于空基导弹系统、海基导弹系统和潜基导弹系统等武器系统中，例如：美国的“联合制导攻击武器(JDAM)[1]”如图 1-1 所示，在空中准备阶段利用传递对准技术完成系统初始对准；美国的“哈姆”反辐射导弹(AGM-88D)[2]、“捕鲸叉”空舰导弹[3]、英国的“海鹰”系列反舰导弹，法国的“飞鱼”系列反舰导弹[4]等。传递对准不仅能够确定惯性导航初始姿态参数，也能修正部分陀螺仪和加速度计器件偏差，从而显著提高武器系统性能[5]。下面首先对惯性导航传递对准技术的国内外发展状况进行介绍与分析，再重点讨论不同因素对于传递对准系统性能的影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ03;TN967.2

【参考文献】