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原文传递车载捷联惯导系统动基座初始对准方法研究

论文题名：	车载捷联惯导系统动基座初始对准方法研究
关键词：	车载捷联惯导系统;基座晃动;简化解析对准;姿态求解
摘要：	在陆用惯性导航领域，初始对准对火炮等武器的瞄准起到关键作用。初始对准为捷联惯性导航建立初始姿态，初始对准精度的高低将会直接影响到后续惯性导航精度。为提高战车的快速反应能力，除了要提高对准精度以外，还须要缩短对准时间，并能够实现行进间对准，实现边走边打。针对陆用捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial NavigationSystem，SINS)初始对准的应用背景，本文分别研究了基座在静止、晃动和运动情况下的SINS初始对准方法，并提出或改进相应的方法用以提高对准精度或缩短对准时间。　　基座静止或晃动不明显时，常规的初始对准方法是解析粗对准。解析粗对准方法基于双矢量定姿算法，要求给定惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)的全部6个输出信息，即空间3个方向的角速度和线加速度。本文提出一种新的解析对准方法，该方法仅使用包含陀螺和加计的3个输出和剩下3个输出的符号或粗略值即可实现初始对准，称之为简化解析对准。简化解析对准方法指出IMU的6个输出信息对求解姿态来说是信息冗余的，通过不同的IMU输出信息组合均可以求解出姿态。在车载环境中，由于发动机工作等因素，晃动影响可能会集中在某个轴向，采用简化解析对准方法可以减少受晃动影响突出的输出信息的干扰，从而提高对准精度。另外还可能用于IMU自检，IMU快速现场自标定，快速两位置对准等。通过仿真和车载实验验证了简化解析对准方法的有效性。　　IMU的误差是影响对准精度的主要因素之一，多位置对准方法被用来补偿IMU误差，从而提高对准精度。受简化解析对准原理启发，本文给出了通过任意两位置可以解算出IMU常值偏置的结论，即多位置对准理论最小条件;提出了一种依据转过两个精确的角度（为计算方便取90°和180°）就可以补偿掉IMU常值偏置误差的绕任意轴旋转的多位置解析对准方法，该方法不要求机械旋转轴向和IMU方位轴向重合，降低了制造成本，可以用于补偿现有的单轴旋转SINS的安装误差。　　基座晃动明显时，解析对准方法误差较大甚至不可用。惯性系对准方法由于能够克服晃动干扰，适应任意初始姿态误差角，鲁棒性强而成为近年来的研究热点。晃动基座上，惯性系对准方法理论上能够完全克服角晃动，但对线晃动干扰敏感。本文分别通过频域低通滤波和时域拟合两类方法详细分析了如何抑制线晃动干扰，并指出初始晃动线速度会对惯性系对准精度产生可观的影响，通过优化算法有效克服了包含线晃动初速度在内的线晃动干扰。仿真和车载实验显示，所提的优化方法精度最高，收敛最快。　　SINS在行进间是无法独立实现对准的，须要借助GPS、里程计等设备提供速度或位置观测，可是GPS易受干扰，战时不可靠，里程计易受到车轮跳动、打滑及变形等因素干扰，本文研究了由激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter, LDV)提供速度观测的自主行进间对准方法。惯性系对准方法已被较好地推广到行进间对准，本文充分总结了前人的研究成果，指出行进间惯性系对准由3个环节组成:方程模型选择，初始姿态更新和位置相关矩阵更新，这3个环节共同决定了对准效果。对初始姿态更新和位置相关矩阵更新方法进行了改进，提高了对准精度，另外使用回溯导航方法缩短了对准时间并提高了对准精度。仿真和跑车实验证实了所提算法的有效性。　　最后，为进一步抑制惯性器件误差和基座运动影响，研究了SINS/LDV组合导航系统行进间精对准。SINS和LDV组合导航系统在工作前须要进行在线标定，消除安装误差，本文提出了一种基于LDV比例因子模型的现场标定方法，提高了标定效率。基于LDV比例因子模型，建立了用于组合导航系统精对准的系统方程和观测方程。仿真和跑车实验验证了所提算法的有效性。
作者：	谭彩铭
专业：	仪器科学与技术
导师：	苏岩
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文