巡飞弹组合导航系统误差补偿及可靠性研究

发布时间：2017-09-15 00:04

  本文关键词：巡飞弹组合导航系统误差补偿及可靠性研究

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【摘要】：巡飞弹是先进导弹技术和无人机技术等相结合的产物,能够快速抵达目标区域,执行集巡逻飞行,侦察监视,毁伤评估等多功能于一体,是满足未来信息化作战需求的智能化弹药。由于巡飞弹需要长时间在恶劣环境下工作的特点,改善弹载导航系统的定位精度和可靠性对提高巡飞弹的系统性能非常关键。为此,本文研究了低成本弹载组合导航系统中的故障处理问题,对惯性传感器的随机误差进行分析和补偿,并探讨了高精度的导航定位算法。主要工作包括：(1)研究了多卫星导航系统的自主完好性监测理论。基于仿真数据,综合分析了北斗系统中不同类别卫星(GEO/IGSO/MEO)的可靠性和可区分性以及与其它导航系统的组合性能。结果表明,相较于MEO和IGSO卫星而言,GEO卫星的最小可探测粗差较大,这是因为后者的观测精度低；对多卫星组合导航系统而言,卫星星座的几何结构和冗余度得到了显著增强,从而提高了导航系统的可靠性,并增强了系统对故障的可区分能力。(2)探讨了卫星导航和惯性导航组合系统的可靠性理论,分析了不同卫星导航系统以及惯导系统的精度对组合系统可靠性的影响。不同于单独的卫星导航系统,组合导航系统中,各卫星的最小可探测粗差不仅受卫星高度角、冗余观测量以及卫星几何分布的影响,很大程度上也依赖于具体采用的卡尔曼滤波模型。当卡尔曼滤波的解算精度随导航时间收敛后,各卫星的最小可探测粗差也相应地趋于稳定。此外,卫星导航系统与不同精度的惯导系统组合时,高精度的惯导系统有助于降低观测量的最小可探测粗差,但降低的幅度并不与惯导系统的精度成正比,这是由卡尔曼滤波中观测值噪声阵及状态转移噪声阵的相互作用决定的。(3)提出了惯性传感器中有色噪声的建模与补偿方法。为了提高惯性导航系统的精度,需要对惯性传感器误差进行估计与精确建模。零偏不稳定性噪声模型比较复杂,传统模型都是基于一阶马尔科夫过程的,本文从理论上分析了零偏不稳定性过程,证明了零偏不稳定过程可以等效于多个一阶马尔科夫过程,并结合角随机游走和速率随机游走噪声对传感器进行建模,通过卡尔曼滤波增强矩阵对传感器进行补偿,最后试验验证了此方法的可行性。(4)提出了基于相关性分析的组合导航的故障检测和隔离方法。当卫星的几何分布较差时,会造成观测模型残差之间的高相关性,由此导致了故障检测中的误判行为。本文理论分析了由相关性引起的误判行为对导航定位的影响,提出了一种基于标准化残差相关性分析的故障检测与隔离的算法。当卫星几何结构良好时,可以保证故障检测的正确性,因而可以直接剔除检测到的含故障的观测值。而当观测值对应的残差间出现强相关性时,采用自适应降权的方法对可能存在故障的观测值进行处理。试验结果表明,该方法可以有效控制异常观测值对定位结果的影响。(5)设计了可用于巡飞弹导航系统的基于载波相位时间差分高精度组合导航定位和测速方法。本文针对巡飞弹的具体应用设计了利用载波相位时间差分的导航算法,避免求解模糊度,大大减小了系统运算复杂度。组合导航试验结果表明,利用载波相位时间差分可以获得毫米/秒量级的速度信息以及米级精度的位置解算结果。
【关键词】：巡飞弹 组合导航系统 故障检测和隔离 完好性监测 惯性传感器 随机误差建模 载波相位时间差分
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ765.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-28
• 1.1 研究的背景及意义12-14
• 1.2 相关技术发展及研究现状14-25
• 1.2.1 组合导航技术及发展概述14-17
• 1.2.2 完好性监测和故障检测技术概述17-21
• 1.2.3 惯性传感器误差补偿技术概述21-25
• 1.3 论文主要内容和结构安排25-28
• 2 巡飞弹导航系统组成及性能需求分析28-41
• 2.1 引言28
• 2.2 巡飞弹飞行特性与航迹模型28-35
• 2.2.1 某巡飞弹搜索弹道方案28-30
• 2.2.2 巡飞弹巡飞航迹运动学模型30-35
• 2.3 巡飞弹导航系统的设计及需求分析35-40
• 2.3.1 基于多传感器组合的巡飞弹弹载导航系统简介35-39
• 2.3.2 巡飞弹导航系统特点及需求39-40
• 2.4 本章小结40-41
• 3 惯性导航系统有色噪声误差建模与补偿技术研究41-64
• 3.1 引言41-42
• 3.2 惯性传感器随机误差类型和辨识方法42-48
• 3.2.1 惯性传感器随机误差类型42-44
• 3.2.2 基于频域分析的惯性传感器随机误差辨识方法44-46
• 3.2.3 基于时域分析的惯性传感器随机误差辨识方法46-48
• 3.3 基于多个一阶高斯马尔科夫过程的随机误差在线补偿方法研究48-55
• 3.3.1 惯性传感器随机误差在线补偿的方法设计48-50
• 3.3.2 零偏不稳定性随机微分方程的等价性证明50
• 3.3.3 基于有色噪声的增强卡尔曼滤波模型50-55
• 3.4 GNSS辅助的惯性传感器随机误差在线补偿的验证试验55-63
• 3.4.1 地面跑车试验方案的设计55-57
• 3.4.2 惯性传感器随机误差辨识静态试验57-60
• 3.4.3 组合导航系统在线补偿动态模拟试验60-63
• 3.5 本章小结63-64
• 4 基于北斗的多卫星导航系统融合方案与性能分析64-79
• 4.1 引言64
• 4.2 GNSS基本观测量的确定64-66
• 4.3 GNSS故障检测与隔离算法66-69
• 4.3.1 基于开方的全局故障检测方法66-67
• 4.3.2 基于数据探测法的故障识别方法67-68
• 4.3.3 最小二乘估计的可靠性68-69
• 4.3.4 备选假设检验量的可区分性69
• 4.4 基于北斗的多卫星导航系统融合方案69-72
• 4.5 基于北斗的多卫星导航系统完好性性能分析72-77
• 4.5.1 基于北斗的多卫星导航系统定位精度性能分析72-74
• 4.5.2 基于北斗的多卫星导航系统完好性性能分析74-77
• 4.6 本章小结77-79
• 5 组合导航高精度可靠融合技术研究79-105
• 5.1 引言79-80
• 5.2 卡尔曼滤波的等价最小二乘形式表征及推导80-82
• 5.3 组合导航数据处理方法设计82-87
• 5.3.1 基于伪距和伪距率的紧组合算法设计82-85
• 5.3.2 基于载波相位时间差分紧组合导航算法研究85-87
• 5.4 基于多卫星系统的紧组合导航性能分析87-92
• 5.4.1 多卫星紧组合导航定位性能分析88-90
• 5.4.2 多卫星紧组合导航可靠性分析90-92
• 5.5 基于相关性的GNSS/SINS组合定位研究92-103
• 5.5.1 基于标准化残差故障隔离的可区分性研究93-96
• 5.5.2 基于可区分性理论的组合导航故障隔离方法96-99
• 5.5.3 复杂环境下模拟试验与结果分析99-103
• 5.6 本章小结103-105
• 6 巡飞弹导航系统仿真与飞行模拟试验105-122
• 6.1 引言105
• 6.2 巡飞弹组合导航仿真105-112
• 6.2.1 巡飞弹方案弹道设计和仿真105-107
• 6.2.2 仿真结果与分析107-112
• 6.3 基于机载动态飞行环境验证的模拟试验112-121
• 6.3.1 试验设备和方案112-115
• 6.3.2 试验结果与分析115-121
• 6.4 本章小结121-122
• 7 总结与展望122-125
• 7.1 论文总结122-123
• 7.2 论文创新点123-124
• 7.3 研究工作展望124-125
• 致谢125-127
• 参考文献127-138
• 附录138-139

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 温永智;吴杰;;高轨飞行器精确导航的载波相位时间差分/捷联惯导紧组合算法[J];武汉大学学报(信息科学版);2011年10期

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本文编号：853104