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原文传递船用格网惯导系统阻尼及综校理论与方法研究

论文题名：	船用格网惯导系统阻尼及综校理论与方法研究
关键词：	船用格网捷联惯导系统;外水平阻尼;卡尔曼滤波;陀螺漂移;误差校正
摘要：	极区因其丰富的油气资源储量、战略瞰制地位以及运载体缩短航程等方面的优势受到世界各国的广泛关注。全球气候变暖加速极区冰川融化为船舶在极区航行提供了可行性。捷联惯导系统不受极区特殊气候和地理条件因素的影响，可自主地输出船舶的姿态、速度和位置，因而成为船舶在极区导航的首选。为克服指北方位惯导力学编排在极区定位与定向的困难，格网惯导力学编排应运而生，可作为极区导航的可靠力学编排。由于惯性器件测量误差等误差源的存在，捷联惯导系统受振荡误差和随时间积累的导航误差影响，误差发散严重。本文针对船用格网捷联惯导系统，为抑制导航误差中的舒勒振荡部分和随时间积累的部分，对其外水平阻尼和综合校正理论与方法展开了研究，论文的主要工作包括: 　　1、外水平阻尼算法是抑制惯导系统中舒勒振荡误差的有效手段。惯导系统由无阻尼向外水平阻尼工作状态切换的过程会引起较大的超调误差，针对这一问题，提出了一种基于卡尔曼滤波的外水平阻尼算法。所设计的外水平阻尼算法以船用格网捷联惯导系统误差方程为基础建立卡尔曼滤波器，在多普勒计程仪提供的速度信息辅助下通过卡尔曼滤波估计和反馈校正水平姿态误差来实现舒勒振荡误差的抑制，同时通过采取在滤波估计值稳定后反馈校正水平姿态误差的策略，有效减小了状态切换过程中的超调误差并缩短了阻尼调整时间。根据量测信息的变化特点，设计了状态切换判据，减少了手动切换的操作负担。　　2、非敏感区域内船用惯导系统通常工作于外水平阻尼工作状态，点校式综合校正方案是抑制阻尼条件下导航误差积累的有效手段。传统的方案在校正过程中限制了载体的运动状态，且存在三点校方案无法应用于捷联惯导系统和已有的地理坐标系下推导的P方程与格网惯导系统不匹配的问题。针对以上问题，首先在格网坐标系下推导了综合校正的P方程，其次在综合校正方案的设计过程中引入惯性系代替OEPQ坐标系，消除综合校正方案对载体运动状态的限制。最后以P方程和ψ方程为基础，设计了阻尼条件下的两点校和三点校方案准确地估计并补偿了陀螺漂移，抑制了外水平阻尼工作状态下随时间积累的导航误差，解决了三点校方案无法应用于捷联惯导系统的问题。　　3、敏感区域内静默航行的船舶其惯导系统工作于无阻尼工作状态，为抑制惯导系统随时间积累的导航误差，从减少综合校正中多普勒计程仪的使用时间和提高陀螺漂移估计精度的角度出发，设计了无阻尼两点校和三点校方案。首先推导了多普勒计程仪辅助下的加速度计偏置和姿态的联合参数估计方法，该方法用于在综合校正前估计和补偿加速度计偏置同时还用于对综合校正中涉及到的水平姿态误差进行估计。其次在格网坐标系框架下推导了包含水平姿态误差项的P方程。最后以P方程和ψ方程为基础，结合所推导的联合参数估计方法，设计了无阻尼两点校和三点校方案准确地估计并补偿了陀螺漂移，抑制了无阻尼工作状态下惯导系统随时间积累的导航误差。由于综合校正前补偿了加速度计偏置，水平姿态稳态误差得到抑制，克服了陀螺漂移估计精度受限的问题。同时由于估计加速度计偏置和姿态仅需较短的时间，所设计的方案减少了多普勒计程仪的使用时间，最大程度上保证了船舶的导航自主性。　　4、针对连续校正信息辅助的情况，设计了两类最优综合校正方案。第一类方案为连续位置和航向信息辅助下的最优综合校正方案，该方案以实现陀螺漂移的快速准确估计为目的，将陀螺常值漂移扩维进状态变量，以阻尼条件下的P方程为基础建立卡尔曼滤波量测方程，以ψ方程为基础建立卡尔曼滤波状态方程，在外部位置和航向信息的辅助下通过卡尔曼滤波实现对陀螺常值漂移的快速准确估计，在较短的时间内抑制了惯导系统随时间积累的误差。第二类方案为位置和速度信息辅助下的最优综合校正方案。为消除现有方案对惯导系统工作状态的限制，引入双解算回路的策略。第一条回路为导航回路，可工作于任意工作状态，输出导航参数;第二条回路为校正回路，工作于无阻尼条件下，以船用格网捷联惯导系统误差方程为基础建立卡尔曼滤波器，在位置和速度信息辅助下通过卡尔曼滤波估计陀螺常值漂移和导航参数误差。在校正信息终止时对陀螺漂移进行补偿并根据可观测性分析的结果对导航回路中的导航参数进行重调，抑制了导航回路随时间积累的导航误差。
作者：	方涛
专业：	控制科学与工程
导师：	王宗义;黄卫权
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020