航海多惯导协同定位与误差参数估计
发布时间：2020-08-13 19:11
【摘要】：为满足现代舰艇长航时高精度导航定位的需求,国内外对旋转调制激光陀螺航海惯导开展了广泛研究,在现有的惯性器件水平下,旋转调制技术的引入大幅度提高了惯导系统的精度,进而使得旋转调制激光陀螺航海惯导在各类舰艇上得到了广泛应用。为了保证可靠性,舰艇一般搭载多套、多类型的惯导系统,如静电陀螺惯导系统、平台式惯导系统、光纤陀螺惯导系统、单轴旋转调制激光陀螺航海惯导、双轴旋转调制激光陀螺航海惯导等。冗余配置情况下,一般将一套系统作为主惯导系统,其余的系统作为热备份系统,系统之间缺少信息融合。近年来,研究人员尝试多套惯导组合应用,通过信息融合的手段以期提高惯组的整体可靠性和导航精度,存在的问题是,尚没有有效的信息融合方法和模型对惯导信息进行协调优化和综合处理。针对此问题,本文主要完成了以下工作:1.提出了一种新的基于联合旋转调制的多惯导系统联合参数估计滤波算法,以多套惯导系统两两之间姿态、速度、位置误差之差为滤波状态,以惯导系统两两之间的速度、位置误差之差为观测量(或只采用位置差为观测量),在惯导系统之间的误差特性呈现局部差异性或互补性条件下,可估计出惯导系统的部分(或全部)陀螺漂移、加速度计零偏;一方面可根据估计出的陀螺漂移、加速度计零偏监控惯导系统的工作状态,另一方面通过输出校正的方式,可一定程度上补偿相应的陀螺漂移、加速度计零偏造成的误差的影响,在保证冗余系统整体可靠性的条件下,提高导航参数的精度。2.提出了基于格网坐标系的多惯导系统协同定位方法,针对惯导系统在高纬度(极区)地区的应用问题,重新设计了联合误差状态Kalman滤波器,同时建立了联合误差状态Kalman滤波器在当地水平地理坐标系与格网坐标系间的相互转换关系,使得多惯导协同定位方法具有了全球适用性,避免了极区子午线汇聚带来的经度及真北方位的计算问题。3.提出了联合旋转调制激光陀螺航海惯导相对性能在线评估方法,一套单轴旋转调制激光陀螺航海惯导与待评估的各双轴旋转调制激光陀螺航海惯导分别构建联合误差状态Kalman滤波器,以不同滤波器估计得到的单轴系统方位陀螺漂移估计值的标准差大小为评价指标,对各双轴系统随机误差的大小进行在线评估。半实物仿真实验及实际实验结果表明,当多套双轴系统激光陀螺组件的随机误差相对差异大于等于总随机误差的10%时,可通过评估算法区分出精度更高的系统。4.提出了基于联合旋转调制的传递对准方法,针对双单轴旋转调制激光陀螺航海惯导系统冗余配置的情况,设计了联合状态状态Kalman滤波器,对水平方向惯性器件的常值零偏进行估计,补偿速度输出中的舒勒振荡误差和锯齿状速度误差,并通过单轴系统辅助子惯导传递对准的应用验证了速度补偿的效果。5.建立了激光陀螺的动力学模型,详细分析了激光陀螺g敏感性误差的机理,得到了激光陀螺的g敏感性等效安装误差模型;当存在角速度时,激光陀螺组件的g敏感性等效安装误差将会造成等效陀螺漂移;利用线振动台产生线振动与角振动并存的环境以激励g敏感性误差的影响,在此环境下利用优化的误差参数观测方案对激光陀螺的g敏感性误差参数进行标定,并对g敏感性误差补偿效果进行了实验验证。补偿激光陀螺的g敏感性误差对于舰载、艇载惯导系统在力学环境下精度的提升具有重要意义。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.703.4;TN96
【图文】：
误差造成的等效陀螺漂移进行了分析。5.1.1 激光陀螺的动力学模型如图5.1所示，X陀螺、Y陀螺、Z陀螺分别通过抖轮安装在惯性测量单元(IMU)的基座上。第 i 个激光陀螺的体坐标系ig ( i x, y ,z)的坐标轴分别为ixg 、iyg 、izg ，其中iig 轴沿第 i 个激光陀螺的抖动轴，ijg ( j x, y , z; j i)轴垂直于 轴，且沿第i 个激光陀螺的侧向(激光陀螺腔体的阳极、阴极方向)。IMU 的体坐标系各轴分别
图 5.2 激光陀螺组件 g 敏感性失准角示意图示，简单的几何运算就可以得到激光陀螺组件陀螺漂移，如下所示：δ δb b b bib ib ib ib conω ω ω Kω ω 010 , δ20xz xy xz xy xy xzyz yx con yz yx yx yzy zx zy zx zx zyθ θ θ θ θ θθ θ θ θ θ θθ θ θ θ θ θ ω 示等效陀螺漂移，bibω 表示 IMU 敏感到的角速 g 敏感性等效安装误差，并且式(5.12)满足小bibKω 项是直观的，但是 δconω 这一项看起来不是振动环境下每个激光陀螺相对其安装基座的伪忽略。我们以 X 陀螺为例进行说明：， [ ]Tx xx xy xzθ θ θ θ代表了坐标系xb 相对于T
国防科技大学研究生院博士学位论文0 0 01 1 11212223 2x y zx y zTa a aaTa a ak k kT Tk k k T T fkf)、(5.44)即可得到bibω 、bf ，进而可对激光陀螺组螺漂移进行补偿。以上基于双子样算法对角速度地，可进行三子样、四子样或更高子样的拟合，验证实验来标定激光陀螺组件的 g 敏感性误差参数，零偏稳定性优于 0.003deg/h(1σ)，加速度计的利用实验室的高精度三轴转台标定激光陀螺组件度因数和零偏，此外，还需要对加速度计组件的
本文编号：2792402
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.703.4;TN96
【图文】：
误差造成的等效陀螺漂移进行了分析。5.1.1 激光陀螺的动力学模型如图5.1所示，X陀螺、Y陀螺、Z陀螺分别通过抖轮安装在惯性测量单元(IMU)的基座上。第 i 个激光陀螺的体坐标系ig ( i x, y ,z)的坐标轴分别为ixg 、iyg 、izg ，其中iig 轴沿第 i 个激光陀螺的抖动轴，ijg ( j x, y , z; j i)轴垂直于 轴，且沿第i 个激光陀螺的侧向(激光陀螺腔体的阳极、阴极方向)。IMU 的体坐标系各轴分别
图 5.2 激光陀螺组件 g 敏感性失准角示意图示，简单的几何运算就可以得到激光陀螺组件陀螺漂移，如下所示：δ δb b b bib ib ib ib conω ω ω Kω ω 010 , δ20xz xy xz xy xy xzyz yx con yz yx yx yzy zx zy zx zx zyθ θ θ θ θ θθ θ θ θ θ θθ θ θ θ θ θ ω 示等效陀螺漂移，bibω 表示 IMU 敏感到的角速 g 敏感性等效安装误差，并且式(5.12)满足小bibKω 项是直观的，但是 δconω 这一项看起来不是振动环境下每个激光陀螺相对其安装基座的伪忽略。我们以 X 陀螺为例进行说明：， [ ]Tx xx xy xzθ θ θ θ代表了坐标系xb 相对于T
国防科技大学研究生院博士学位论文0 0 01 1 11212223 2x y zx y zTa a aaTa a ak k kT Tk k k T T fkf)、(5.44)即可得到bibω 、bf ，进而可对激光陀螺组螺漂移进行补偿。以上基于双子样算法对角速度地，可进行三子样、四子样或更高子样的拟合，验证实验来标定激光陀螺组件的 g 敏感性误差参数，零偏稳定性优于 0.003deg/h(1σ)，加速度计的利用实验室的高精度三轴转台标定激光陀螺组件度因数和零偏，此外，还需要对加速度计组件的
本文编号：2792402
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