水中潜器单轴旋转惯导系统运动学约束自适应算法研究

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单轴旋转调制技术可以提高捷联惯性导航系统长时间工作的定位精度,但本质上仍为积分系统,为了减缓定位误差累积速度,实现水中潜器高精度导航的需求,提出了运动学约束捷联惯性导航方法。该方法利用载体运动过程中的速度固有特性,不需要增加传感器,不改变系统的隐蔽性,提高了捷联惯性导航系统的导航精度。论文主要围绕提高运动学约束条件下单轴旋转导航系统的性能展开:(1)研究了单轴旋转调制捷联惯性导航系统的基本原理,给出了单轴旋转捷联惯导系统的姿态、速度和位置误差方程。分析了单轴旋转捷联惯导系统对陀螺和加速度计常值误差、标度因数误差和安装误差的调制机理。(2)研究了载体在运动中的速度约束条件,建立了运动学约束算法的滤波模型,利用Sage-Husa滤波的原理及其简化方法,将运动学约束条件提供的速度信息与惯导速度信息融合。对不同速度噪声条件下无运动学约束算法、Kalman运动学约束算法和Sage-Husa运动学约束算法的导航性能进行了仿真,Sage-Husa运动学约束算法在仿真中达到了相对最优的定位精度。(3)针对H_∞滤波性能受限于滤波参数γ选取的问题,提出了一种基于滑动窗口新息的自适应H_∞滤波方法,该方法能够自适应调节滤波参数γ,平衡滤波器的鲁棒性和精度。利用提出的自适应H_∞滤波方法进行运动学约束导航,并进行了仿真分析,自适应H_∞滤波运动学约束算法能够根据不同噪声条件调节滤波参数,总体上达到了与Sage-Husa运动学约束算法相当或更优的定位精度。(4)利用单轴旋转调制捷联惯导系统实验样机,进行了系统在多种实验环境和实验轨迹下的运动学约束导航实验,自适应H_∞滤波运动学约束导航算法在准直线车载实验,“8”字车载实验和湖试中的定位精度相对其他算法最优,特别是相比纯惯导算法提高了23.7%~81%,验证了自适应H_∞滤波运动学约束导航算法在实际系统中的有效性。
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