GNSS拒止条件下捷联惯性导航系统性能增强关键技术研究
发布时间：2021-02-06 20:45
反介入/区域拒止网络对抗技术所带来的战场形势和作战环境的巨大变化,使得卫星导航定位系统在战时的能力被严重削弱,为了提高高超声速飞行器和微小型飞行器等新型作战武器在卫星导航系统拒止环境下的自主导航能力,增强机载捷联惯导系统性能是实现新型作战武器精确导航与制导的重要手段。为综合提升捷联惯导系统的精度和可靠性,本文分别从捷联惯导算法精度和实时性的提升、惯性器件在线使用精度的提高以及惯性测量单元性能的增强三个层面开展了相应的研究工作。当GNSS处于拒止条件时,存在无法对捷联惯导系统进行误差互补修正的问题,因而需要从惯导系统自身工作机理出发,分析影响其精度和可靠性的关键因素,从而增强捷联惯导系统性能。为此,本文首先从捷联惯性导航算法角度出发,针对GNSS拒止环境下高动态载体对捷联惯性导航算法的精度和实时性提出的特殊需求,提出了基于多时间尺度的姿态更新优化改进方法,将姿态解算回路细分为不同计算频率的小回路,提升了捷联惯导算法的精度和实时性;提出了一种基于螺旋矢量补偿圆锥和划船误差的矢量积分优化算法,采用梯形数字积分方式减少了等效螺旋矢量的计算误差,进一步提高了捷联惯性导航算法的精度。为了提升惯性传...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 GNSS拒止环境下捷联惯导性能增强相关技术的国内外现状
1.2.1 GNSS拒止环境下的国内外导航技术发展动态
1.2.2 捷联惯性导航算法的国内外研究现状
1.2.3 惯性器件随机误差特性分析及确定性误差在线标定技术的国内外研究现状
1.2.4 冗余惯性测量单元设计及数据融合方法的国内外研究现状
1.3 GNSS拒止条件下捷联惯导系统性能增强技术的关键问题分析
1.4 论文的研究内容与结构
第二章 高动态环境下捷联惯性导航算法的优化改进研究
2.1 引言
2.2 基于多时间尺度的捷联惯性导航姿态优化算法
2.2.1 基于多时间尺度的捷联惯导姿态解算优化编排方法
2.2.2 基于多时间尺度的姿态解算改进编排方法仿真分析
2.3 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿改进算法
2.3.1 基于螺旋矢量的传统圆锥及划船误差补偿算法
2.3.2 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿优化改进算法
2.3.3 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿优化改进算法的仿真验证
2.4 本章小结
第三章 惯性器件随机误差参数辨识方法的优化与改进
3.1 引言
3.2 惯性器件随机误差分析的传统ALLAN方差法
3.2.1 ALLAN方差法在惯性器件随机误差分析中的原理和步骤
3.2.2 传统ALLAN方差法在惯性器件随机误差分析中尚待改进的方面
3.3 基于二参数和三参数分区间拟合模型的ALLAN方差改进方法
3.3.1 基于参数分区间拟合模型的ALLAN方差法改进方案
3.3.2 二参数拟合模型下的ALLAN方差分析方法研究与验证
3.3.3 基于N秒平均预处理的三参数拟合模型ALLAN方差法研究与验证
3.4 基于迭代重加权最小二乘的ALLAN方差参数拟合方法
3.4.1 基于迭代重加权最小二乘（IRLS）的ALLAN方差参数拟合方法
3.4.2 基于IRLS的ALLAN方差参数拟合法的验证与分析
3.5 本章小结
第四章 基于相对独立可观测度的惯性器件误差在线标定方法
4.1 引言
4.2 基于乘性误差四元数的惯性器件误差参数在线标定的模型构建
4.2.1 基于乘性误差四元数的惯性器件误差参数在线标定的状态方程
4.2.2 基于乘性误差四元数的惯性器件误差在线标定的量测方程
4.2.3 惯性器件误差在线标定的可观测性矩阵的构建
4.3 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法
4.3.1 传统可观测性分析方法的基本原理分析
4.3.2 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法
4.3.3 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法的仿真验证
4.4 惯性器件误差在线标定方法的仿真验证
4.4.1 惯性器件误差在线标定应用于高超飞行器的仿真条件设置
4.4.2 “黑障区”过渡段内惯性器件误差在线标定结果分析
4.4.3 “黑障区”在线补偿惯性器件误差的导航结果统计分析
4.5 本章小结
第五章 基于阵列布局的余度惯性测量单元配置方案设计及数据融合方法
5.1 引言
5.2 基于性能评估准则的惯性测量单元冗余配置方案设计
5.2.1 余度IMU结构配置的精度评估判据
5.2.2 余度IMU结构配置的可靠性评估判据
5.2.3 基于精度和可靠性评估判据的冗余IMU配置方案设计
5.3 阵列余度惯性测量单元的数据融合方法
5.3.1 阵列余度IMU中加速度计和陀螺仪的测量模型
5.3.2 阵列余度惯性测量单元的传统数据融合方法
5.3.3 基于改进EKF的冗余角速率信息融合方法
5.3.4 基于改进极大似然估计的冗余比力信息融合方法
5.4 阵列IMU数据融合方法的仿真验证分析
5.4.1 阵列IMU数据融合方法的仿真条件设置
5.4.2 阵列IMU中冗余角速率融合结果的仿真对比分析
5.4.3 阵列IMU中冗余比力融合结果的仿真对比分析
5.5 本章小结
第六章 GNSS拒止条件下捷联惯导性能增强技术综合验证平台
6.1 引言
6.2 GNSS拒止条件下捷联惯导性能增强技术验证平台的设计方案
6.3 GNSS拒止高动态环境下捷联算法及在线标定方法的仿真验证
6.3.1 GNSS拒止高动态环境下捷联惯导算法及在线标定方法的数字仿真验证方案
6.3.2 GNSS拒止高动态环境下数字仿真的参数设置及算法仿真运行显示
6.3.3 GNSS拒止高动态环境下捷联惯导算法及在线标定方法的数字仿真结果分析
6.4 基于阵列余度IMU捷联惯导性能增强的跑车实验验证
6.4.1 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验平台搭建
6.4.2 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验数据采集
6.4.3 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验验证结果分析
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 本文的主要工作与创新
7.1.1 本文的主要工作和研究内容
7.1.2 本文的主要贡献与创新之处
7.2 进一步工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]惯性/天文/卫星组合导航误差在线标定方法[J]. 踪华,齐建宇,熊攀,汪渤,刘准,周志强. 哈尔滨工业大学学报. 2017(04)
[2]基于优化KF的MEMS陀螺阵列信号融合方法[J]. 刘洁瑜,沈强,李灿,秦伟伟. 系统工程与电子技术. 2016(12)
[3]韩国部署萨德系统对中国沿海弹道导弹影响浅析[J]. 王世涛,邢晓莉. 飞航导弹. 2016(09)
[4]基于新息自适应滤波的惯性测量单元误差在线标定方法研究[J]. 王洁,熊智,邢丽,戴怡洁,华冰,刘建业. 兵工学报. 2016(07)
[5]光纤陀螺随机误差的重叠分段Allan分析方法[J]. 陈永冰,查峰,刘勇. 中国惯性技术学报. 2016(02)
[6]构建微型定位导航授时体系,改变PNT格局[J]. 尤政,马林. 科技导报. 2015(12)
[7]美军在“反介入和区域拒止”环境下的特种部队作战方式探析[J]. 赵诚. 现代军事. 2015(05)
[8]斜装冗余传感器的分布式导航系统研究[J]. 吴风喜,刘海颖,华冰. 宇航学报. 2015(02)
[9]基于动态Allan方差的光纤陀螺随机误差分析（英文）[J]. 张春熹,王璐,高爽,李慧鹏,林铁,李先慕,王涛. 红外与激光工程. 2014(09)
[10]最小GDOP定位构型的一种嵌套圆锥结构[J]. 薛树强,杨元喜. 武汉大学学报(信息科学版). 2014(11)
博士论文
[1]GNSS/INS深耦合系统关键技术研究[D]. 何伟.西北工业大学 2016
[2]基于陀螺冗余的微惯性系统关键技术研究[D]. 梁海波.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]MEMS惯性导航系统的冗余技术研究[D]. 邵玉萍.哈尔滨工程大学 2015
[2]近空间飞行器惯性导航系统误差建模及修正关键技术[D]. 彭惠.南京航空航天大学 2014
[3]应用于GPS软件接收机的抗干扰技术研究[D]. 袁超.南京航空航天大学 2014
[4]基于SINS/BDS/CNS的高超声速飞行器组合导航研究[D]. 周邦大.国防科学技术大学 2010
[5]捷联惯性系统初始对准研究[D]. 赵睿.东南大学 2006
本文编号：3021066
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：140 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 GNSS拒止环境下捷联惯导性能增强相关技术的国内外现状
1.2.1 GNSS拒止环境下的国内外导航技术发展动态
1.2.2 捷联惯性导航算法的国内外研究现状
1.2.3 惯性器件随机误差特性分析及确定性误差在线标定技术的国内外研究现状
1.2.4 冗余惯性测量单元设计及数据融合方法的国内外研究现状
1.3 GNSS拒止条件下捷联惯导系统性能增强技术的关键问题分析
1.4 论文的研究内容与结构
第二章 高动态环境下捷联惯性导航算法的优化改进研究
2.1 引言
2.2 基于多时间尺度的捷联惯性导航姿态优化算法
2.2.1 基于多时间尺度的捷联惯导姿态解算优化编排方法
2.2.2 基于多时间尺度的姿态解算改进编排方法仿真分析
2.3 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿改进算法
2.3.1 基于螺旋矢量的传统圆锥及划船误差补偿算法
2.3.2 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿优化改进算法
2.3.3 基于螺旋矢量的圆锥及划船误差补偿优化改进算法的仿真验证
2.4 本章小结
第三章 惯性器件随机误差参数辨识方法的优化与改进
3.1 引言
3.2 惯性器件随机误差分析的传统ALLAN方差法
3.2.1 ALLAN方差法在惯性器件随机误差分析中的原理和步骤
3.2.2 传统ALLAN方差法在惯性器件随机误差分析中尚待改进的方面
3.3 基于二参数和三参数分区间拟合模型的ALLAN方差改进方法
3.3.1 基于参数分区间拟合模型的ALLAN方差法改进方案
3.3.2 二参数拟合模型下的ALLAN方差分析方法研究与验证
3.3.3 基于N秒平均预处理的三参数拟合模型ALLAN方差法研究与验证
3.4 基于迭代重加权最小二乘的ALLAN方差参数拟合方法
3.4.1 基于迭代重加权最小二乘（IRLS）的ALLAN方差参数拟合方法
3.4.2 基于IRLS的ALLAN方差参数拟合法的验证与分析
3.5 本章小结
第四章 基于相对独立可观测度的惯性器件误差在线标定方法
4.1 引言
4.2 基于乘性误差四元数的惯性器件误差参数在线标定的模型构建
4.2.1 基于乘性误差四元数的惯性器件误差参数在线标定的状态方程
4.2.2 基于乘性误差四元数的惯性器件误差在线标定的量测方程
4.2.3 惯性器件误差在线标定的可观测性矩阵的构建
4.3 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法
4.3.1 传统可观测性分析方法的基本原理分析
4.3.2 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法
4.3.3 惯性器件误差在线标定的相对独立可观测度分析方法的仿真验证
4.4 惯性器件误差在线标定方法的仿真验证
4.4.1 惯性器件误差在线标定应用于高超飞行器的仿真条件设置
4.4.2 “黑障区”过渡段内惯性器件误差在线标定结果分析
4.4.3 “黑障区”在线补偿惯性器件误差的导航结果统计分析
4.5 本章小结
第五章 基于阵列布局的余度惯性测量单元配置方案设计及数据融合方法
5.1 引言
5.2 基于性能评估准则的惯性测量单元冗余配置方案设计
5.2.1 余度IMU结构配置的精度评估判据
5.2.2 余度IMU结构配置的可靠性评估判据
5.2.3 基于精度和可靠性评估判据的冗余IMU配置方案设计
5.3 阵列余度惯性测量单元的数据融合方法
5.3.1 阵列余度IMU中加速度计和陀螺仪的测量模型
5.3.2 阵列余度惯性测量单元的传统数据融合方法
5.3.3 基于改进EKF的冗余角速率信息融合方法
5.3.4 基于改进极大似然估计的冗余比力信息融合方法
5.4 阵列IMU数据融合方法的仿真验证分析
5.4.1 阵列IMU数据融合方法的仿真条件设置
5.4.2 阵列IMU中冗余角速率融合结果的仿真对比分析
5.4.3 阵列IMU中冗余比力融合结果的仿真对比分析
5.5 本章小结
第六章 GNSS拒止条件下捷联惯导性能增强技术综合验证平台
6.1 引言
6.2 GNSS拒止条件下捷联惯导性能增强技术验证平台的设计方案
6.3 GNSS拒止高动态环境下捷联算法及在线标定方法的仿真验证
6.3.1 GNSS拒止高动态环境下捷联惯导算法及在线标定方法的数字仿真验证方案
6.3.2 GNSS拒止高动态环境下数字仿真的参数设置及算法仿真运行显示
6.3.3 GNSS拒止高动态环境下捷联惯导算法及在线标定方法的数字仿真结果分析
6.4 基于阵列余度IMU捷联惯导性能增强的跑车实验验证
6.4.1 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验平台搭建
6.4.2 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验数据采集
6.4.3 阵列余度IMU数据融合方法的跑车实验验证结果分析
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 本文的主要工作与创新
7.1.1 本文的主要工作和研究内容
7.1.2 本文的主要贡献与创新之处
7.2 进一步工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]惯性/天文/卫星组合导航误差在线标定方法[J]. 踪华,齐建宇,熊攀,汪渤,刘准,周志强. 哈尔滨工业大学学报. 2017(04)
[2]基于优化KF的MEMS陀螺阵列信号融合方法[J]. 刘洁瑜,沈强,李灿,秦伟伟. 系统工程与电子技术. 2016(12)
[3]韩国部署萨德系统对中国沿海弹道导弹影响浅析[J]. 王世涛,邢晓莉. 飞航导弹. 2016(09)
[4]基于新息自适应滤波的惯性测量单元误差在线标定方法研究[J]. 王洁,熊智,邢丽,戴怡洁,华冰,刘建业. 兵工学报. 2016(07)
[5]光纤陀螺随机误差的重叠分段Allan分析方法[J]. 陈永冰,查峰,刘勇. 中国惯性技术学报. 2016(02)
[6]构建微型定位导航授时体系,改变PNT格局[J]. 尤政,马林. 科技导报. 2015(12)
[7]美军在“反介入和区域拒止”环境下的特种部队作战方式探析[J]. 赵诚. 现代军事. 2015(05)
[8]斜装冗余传感器的分布式导航系统研究[J]. 吴风喜,刘海颖,华冰. 宇航学报. 2015(02)
[9]基于动态Allan方差的光纤陀螺随机误差分析（英文）[J]. 张春熹,王璐,高爽,李慧鹏,林铁,李先慕,王涛. 红外与激光工程. 2014(09)
[10]最小GDOP定位构型的一种嵌套圆锥结构[J]. 薛树强,杨元喜. 武汉大学学报(信息科学版). 2014(11)
博士论文
[1]GNSS/INS深耦合系统关键技术研究[D]. 何伟.西北工业大学 2016
[2]基于陀螺冗余的微惯性系统关键技术研究[D]. 梁海波.哈尔滨工程大学 2011
硕士论文
[1]MEMS惯性导航系统的冗余技术研究[D]. 邵玉萍.哈尔滨工程大学 2015
[2]近空间飞行器惯性导航系统误差建模及修正关键技术[D]. 彭惠.南京航空航天大学 2014
[3]应用于GPS软件接收机的抗干扰技术研究[D]. 袁超.南京航空航天大学 2014
[4]基于SINS/BDS/CNS的高超声速飞行器组合导航研究[D]. 周邦大.国防科学技术大学 2010
[5]捷联惯性系统初始对准研究[D]. 赵睿.东南大学 2006
本文编号：3021066
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/3021066.html
