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原文传递惯性/多普勒组合导航回溯算法研究

论文题名：	惯性/多普勒组合导航回溯算法研究
关键词：	组合导航;水下自主导航;回溯算法;参数估计;误差修正;在线标定
摘要：	惯性/多普勒组合导航是实现水下自主导航的主要方式。由于仅有载体系下的多普勒速度观测，水下导航信息源少、环境复杂，如何实现误差参数精确标定、快速对准与高精度导航仍然面临以下挑战：　　1.水下航行标定模式下，惯性/多普勒组合导航初始对准精度影响多普勒测速误差标定精度，而反过来多普勒测速误差也会带来惯性/多普勒组合导航初始对准误差，存在一定的耦合。　　2.仅有载体系下的多普勒速度观测时，受方位可观测度弱的影响，动基座对准快速性与对准精度间的矛盾突出。　　3.总的初始对准时间受限的情况下，粗对准时间和精对准时间的矛盾：动基座条件下，粗对准时间短，精对准将面临大失准角问题；粗对准时间长，失准角小，但精对准时间短了。　　4.无位置观测信息条件下，水下惯性/多普勒组合导航误差参数在线估计与位置误差修正问题。　　论文针对上述实际问题，提出并开展了基于回溯的多普勒测速误差精确标定、动基座快速对准、组合导航误差参数在线估计理论方法研究，主要工作和创新点如下：　　1.对于水下航行器定期上浮的在线标定模式，提出了基于姿态回溯的多普勒测速误差标定模型和算法，显著减小了由初始对准带来的姿态误差对标定精度的影响，保证了标定算法在复杂海况下的鲁棒性。论文提出的两点在线标校算法，起始点已知条件下，只需一次上浮即可完成在线标定。　　2.提出了多普勒辅助下基于回溯的动基座快速优化对准模型和算法。对于仅有多普勒辅助、无位置观测量的情况，论文通过回溯算法，解决了对准过程中的导航定位问题。同时，通过比较研究，采用交叉取点的方式提高了优化对准的精度。　　3.提出了多普勒辅助下基于回溯的卡尔曼滤波动基座快速对准模型和算法。分析了惯性/多普勒组合导航卡尔曼滤波对准过程中，航向误差可观测度弱、收敛缓慢的问题。为解决粗对准时间与精对准时间的矛盾并提高对准精度，论文提出了新的回溯对准方法。在粗对准的过程中存储一定的数据用于之后的回溯精对准，相当于延长了粗对准和精对准的时间，改善了动基座对准精度，提高了对准的快速性。由于惯导的高更新率，直接回溯将需要存储大量的数据。针对该问题，论文提出了一个新的惯性系下的卡尔曼滤波精对准模型。粗对准过程中仅需要存储少量的数据即可完成之后的回溯精对准，解决了回溯对准算法的实时应用问题。　　4.提出了多普勒辅助下的大失准角对准模型和UKF滤波算法。论文从对准的快速性、精度、及对准的鲁棒性上对大失准角UKF滤波对准和以上两种基于回溯的对准方法进行了实验验证比较。　　5.提出了惯性系回溯组合导航及参数估计模型和算法。论文将回溯对准结构拓展为回溯导航结构，水下航行器在仅有初始位置和多普勒速度的情况下就可以开始导航，只需存储少量数据，在导航运动过程中基于回溯完成初始对准和组合导航，实现了快速机动。论文同时对惯性器件误差进行了在线回溯估计以保证导航性能。实验结果表明，所提出模型和算法可以正确地估计惯性器件误差，提高导航精度；回溯导航算法可在不亚于传统导航算法定位精度情况下，显著提高水下航行器的快速机动性。
作者：	李万里
专业：	控制科学与工程
导师：	吴文启
授予学位：	博士
授予学位单位：	国防科学技术大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文