【摘要】：極地地區(qū)精確導(dǎo)航方法是支撐極地地區(qū)科學(xué)考察、軍事活動(dòng)和商業(yè)活動(dòng)的核心技術(shù)之一。當(dāng)前慣性導(dǎo)航方式受傳統(tǒng)坐標(biāo)系編排限制,在極地地區(qū)存在航向角誤差和經(jīng)緯度誤差放大問題;當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航方式在極地地區(qū)面臨可見衛(wèi)星低仰角問題,其極區(qū)可用性受到限制。本文針對(duì)單一導(dǎo)航方式在極區(qū)的應(yīng)用限制,采用不限于慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航的多種導(dǎo)航源傳感器構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng),研究其中的誤差來源和誤差改正模型、狀態(tài)估計(jì)自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)、基于坐標(biāo)系統(tǒng)一和時(shí)間配準(zhǔn)的多源信息融合等核心問題。從問題分析、理論推導(dǎo)、算法驗(yàn)證等方面,為建立更可靠的極地地區(qū)精確導(dǎo)航和時(shí)空信息服務(wù)系統(tǒng)提供了新思路。根據(jù)極地地區(qū)應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn),選取慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、多普勒測(cè)速儀構(gòu)成極區(qū)運(yùn)載體組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合框架結(jié)構(gòu),并以北極航道下的船舶航行問題為主要分析和仿真驗(yàn)證背景。在分散化信息融合體制下,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括傳感器層級(jí)、兩傳感器融合層級(jí)和多傳感器融合層級(jí),從這三個(gè)層級(jí)拓展開來構(gòu)成論文的主要研究內(nèi)容。在傳感器層面提出極地地區(qū)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)低仰角對(duì)流層延遲改正精化模型。從改善傳感器源誤差和極區(qū)可用性的角度,針對(duì)極地地區(qū)可見衛(wèi)星仰角低、對(duì)流層延遲成為衛(wèi)星導(dǎo)航最主要誤差來源的問題,研究極地地區(qū)衛(wèi)星低仰角對(duì)流層延遲改正精化模型,以降低衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星截止角的要求。針對(duì)傳統(tǒng)延遲改正模型依賴當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)的問題,提出一種基于非線性假設(shè)理論對(duì)流層延遲進(jìn)行時(shí)空參數(shù)化表示,繼而對(duì)全球?qū)α鲗痈裳舆t模型、濕延遲模型、總延遲模型進(jìn)行黑箱建模,提出一種柵格化的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)對(duì)流層天頂延遲改正模型。以實(shí)測(cè)參考站數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的模型檢驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了模型的有效性,對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的緯度分析表明模型在極地地區(qū)的對(duì)流層延遲改正精度優(yōu)于現(xiàn)有模型。針對(duì)任意坐標(biāo)點(diǎn)任意高度任意時(shí)刻的對(duì)流層天頂延遲改正問題,提出了插值方法和精化模型。將提出的天頂延遲模型與維也納映射函數(shù)相結(jié)合,得到一種適用于極地地區(qū)衛(wèi)星低仰角情況下的斜延遲改正模型,衛(wèi)星仰角低于10°時(shí)的檢驗(yàn)結(jié)果證明了所提出模型的先進(jìn)性,為當(dāng)前星座下改善衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)極區(qū)可用性提供了理論方法和模型驗(yàn)證。在兩傳感器融合層面提出基于交互式雙模型和自適應(yīng)濾波的信息融合算法。在進(jìn)行兩傳感器融合時(shí),針對(duì)極地地區(qū)慣性導(dǎo)航在傳統(tǒng)地理坐標(biāo)系下尋北困難和經(jīng)線收攏問題,研究了橫向坐標(biāo)系用于極區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)一和信息融合的可行性,提出了通用的兩傳感器信息融合體制和基于自適應(yīng)濾波器的融合算法。針對(duì)極區(qū)傳感器量測(cè)過程潛在的非平穩(wěn)或非高斯量測(cè)噪聲,以及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中量測(cè)噪聲的變化,提出了一種量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣動(dòng)態(tài)估計(jì)方法�；谠摿繙y(cè)噪聲動(dòng)態(tài)估計(jì)方法和交互式雙模型結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)濾波器,可以根據(jù)雙模型概率的動(dòng)態(tài)更新對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行交互融合輸出。仿真結(jié)果表明在幾種非典型量測(cè)噪聲條件下,所提出的兩傳感器信息融合算法性能優(yōu)于現(xiàn)有主流濾波器算法性能,可提供更高的導(dǎo)航信息精度,同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)變化的量測(cè)噪聲環(huán)境表現(xiàn)出良好的自適應(yīng)能力。在多傳感器融合層面提出基于性能退化指示器和時(shí)間配準(zhǔn)的異步信息融合算法。從多傳感器信息融合的角度,對(duì)兩傳感器融合結(jié)果進(jìn)行再融合以尋求最優(yōu)融合結(jié)果并提高系統(tǒng)魯棒性。針對(duì)兩傳感器融合子系統(tǒng)性能退化對(duì)融合中心輸出結(jié)果的負(fù)面影響,提出一種基于性能退化指示器的同步信息融合算法,通過一定的信息共享因數(shù)分配策略,對(duì)各子系統(tǒng)置信度水平進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估以改變其共享到融合中心的權(quán)重。針對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)更新率不同的異步問題,提出一種考慮置信度水平的時(shí)間配準(zhǔn)方法和相應(yīng)的異步融合算法;當(dāng)置信度水平提前獲并存儲(chǔ)為電子地圖形式時(shí),提出置信場(chǎng)的概念和相應(yīng)的異步融合算法。通過在仿真場(chǎng)景中引入子系統(tǒng)性能退化和短時(shí)不可用現(xiàn)象,仿真結(jié)果證實(shí)了所提出三種同步或異步信息融合算法的有效性、魯棒性。最后,本文首次在導(dǎo)航領(lǐng)域探索了一種基于集成學(xué)習(xí)的多傳感器同步信息融合網(wǎng)絡(luò),通過學(xué)習(xí)子系統(tǒng)估計(jì)協(xié)方差矩陣“圖像”和融合最優(yōu)性之間的關(guān)系,改善組合導(dǎo)航系統(tǒng)在面對(duì)突發(fā)故障時(shí)的性能波動(dòng)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN967.2
【圖文】：

近極點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際經(jīng)緯度誤差有放大趨勢(shì)算奇異和誤差過大問題，文獻(xiàn)[27]建立了橫了誤差傳播特性，文獻(xiàn)[28]推導(dǎo)了橫向坐初始誤差和慣性元件誤差對(duì)橫向坐標(biāo)系下為基于圓球模型的分析和仿真；文獻(xiàn)[29, 基于橫向地球坐標(biāo)系慣導(dǎo)方法和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換起步階段，距離實(shí)際應(yīng)用有一定距離。械編排問題，慣導(dǎo)體制下極地地區(qū)初始對(duì)數(shù)學(xué)平臺(tái)轉(zhuǎn)到期望的位置）是另一挑戰(zhàn)[31用雷達(dá)輔助的初始對(duì)準(zhǔn)方法；文獻(xiàn)[33]研題；文獻(xiàn)[34]研究了 SINS 桿臂效應(yīng)及其誤對(duì)準(zhǔn)誤差。然而，無論傳統(tǒng)東北天地理坐，均不具備單獨(dú)完成 INS 全球初始對(duì)準(zhǔn)能始對(duì)準(zhǔn)方案不利于實(shí)際工程實(shí)施。文獻(xiàn)[航編排的 INS 初始對(duì)準(zhǔn)方法，其實(shí)際性能

圖 1-2 北斗星通 BDM801 板卡Fig.1-2 BDM801 board produced by BDStar Navigation 的國內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)而言，隨著 4 大全球系統(tǒng)的推進(jìn)航定位方式將逐漸取代單系統(tǒng)雙頻方式[62, 63]，而成實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決不同系統(tǒng)的兼容性與互操系統(tǒng)信息的融合等關(guān)鍵技術(shù)。相應(yīng)地，在衛(wèi)星導(dǎo)航星導(dǎo)航芯片正向小型化、低功耗、單芯片化、多DS /其他系統(tǒng)的兼容型）、輔助 GPS 融合的集成化等通公司生產(chǎn)的 BDM801 型板卡為例，其外形如圖 1S+GLONASS 三系統(tǒng)四頻點(diǎn)導(dǎo)航定位板卡，可以適定位精度（RMS）為單點(diǎn)定位 3 m ~ 5 m，載波差分作溫度范圍達(dá)到-40 ℃ ~ +80℃[65]。單一導(dǎo)航方式通過天體敏感設(shè)備觀測(cè)天體，確定載體位置等導(dǎo)航等領(lǐng)域不可或缺的導(dǎo)航方式。由于受到天文觀測(cè)的

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配、識(shí)別和恒星提取問題，進(jìn)而獲裝備研發(fā)和應(yīng)用方面，美國 Rockwell Co電 CNS 設(shè)備，采用 1.8 cm～3.2 cm 波段，姿態(tài)級(jí)巡航導(dǎo)彈核潛艇、基輔級(jí)航母等武器裝備眼”B 型、“沙果”型射電六分儀中的 1 種波段，目前，基于 X 射線波段的脈沖星 CN性和安全性都優(yōu)于傳統(tǒng)方式，在國防和航天感器小型化方面，由我國天銀星際公司生產(chǎn) 所示，該產(chǎn)品是目前業(yè)內(nèi)體積最小、重量最感器。94.4 mm

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2756591