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水下航行器捷联惯导系统粗对准方法研究
| 论文题名： | 水下航行器捷联惯导系统粗对准方法研究 |
| 关键词： | 水下航行器;捷联惯导系统;最优化粗对准;Wahba问题 |
| 摘要： | 惯导系统可以用来确定载体的位置、速度和姿态，以其隐蔽性、自主性、全球性等特点广泛应用于航空、航天、航海领域，常作为水下航行器的主导航系统。随着惯性元器件现代控制理论及计算机技术的发展，捷联惯导系统以其体积小、成本低、结构简单、可靠性高等特点成为惯导系统发展的主流和方向。初始对准技术是捷联惯导系统的一项关键技术，其对准精度直接影响导航系统的导航精度。初始对准又分为粗对准和精对准阶段，其中粗对准要求又快又好地确定一个粗略的初始姿态矩阵，为精对准过程做准备。现有的较成熟的粗对准方法是静基座和摇摆基座下的，而行进状态下的粗对准仍然存在对准精度低，鲁棒性差等问题。水下航行器通常用于水下勘测、战区侦查、探测反潜等水下工作，因为其工作环境的条件限制，使得水下航行器捷联惯导系统需要在摇摆、振荡甚至是行进条件下完成粗对准，所以适用于水下航行器捷联惯导系统粗对准算法的研究尤为重要。 本文首先介绍了捷联惯导系统的基本工作原理，详细推导了捷联惯导系统的力学编排，同时进行了初始对准必要性分析，推导了初始姿态误差角对姿态、位置、速度的影响，并进行了仿真分析，验证了初始对准的必要性。其次，介绍了双矢量定姿原理，对基于双矢量定姿原理的解析式粗对准方法和惯性坐标系粗对准方法进行详细的理论推导，并对其适用条件进行了仿真，同时推导了适用于低速行进状态下的外速度辅助的捷联惯导系统粗对准方法，在传统公式的基础上进行了化简，从而避免了外速度差分，并对粗对准算法进行了仿真验证。再次，针对水下航行器的工作环境限制，设计了适用于水下航行器的粗对准方法，引入多普勒计程仪外速度信息辅助完成最优化粗对准，与双矢量定姿原理相比，最优化粗对准通过获得多个时刻的观测矢量，将姿态矩阵的求解问题转换为最小二乘意义下的姿态矩阵方程求解问题，利用Wahba问题的求解方法来获得最优的姿态矩阵，解决了惯性系粗对准方法鲁棒性差的问题，还能够满足水下航行器在水下驻留状态、低速行进状态、高速行进状态下的粗对准精度要求。考虑了外速度野值对最优化粗对准的影响，设计了改进的中值滤波的最优化粗对准方法，有效屏蔽野值对粗对准的影响，并针对水下航行器各种运动状态进行了仿真验证并与原最优化方法进行对比。最后，通过转台摇摆实验、车载实验和抗野值的半物理仿真实验验证了水下航行器粗对准方法的实际对准性能。 |
| 作者： | 罗莉 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 张勇刚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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