發(fā)布時間：2020-08-14 23:24

【摘要】：極區(qū)的海洋資源對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和國家安全的重要性日益凸顯,對極區(qū)海洋資源的開發(fā)與探測有著舉足輕重的地位。然而,極區(qū)的地磁力線收斂、磁場異常和多徑效應,導致無線電導航、地磁導航和衛(wèi)星導航等導航方式在極區(qū)環(huán)境下無法正常工作。捷聯(lián)慣導系統(tǒng)由于具有高自主性和相對獨立的優(yōu)勢,目前被廣泛應用于各類軍民用大型船舶的極區(qū)導航。為了縮短對準時間和提高對準精度,對于大型船舶的附屬航行器與工作船,其初始對準一般不采用自主式對準方法,而是采用傳遞對準的方式實現(xiàn)其初始對準。當前,對于極區(qū)傳遞對準方法的研究剛開始起步,仍存在許多問題與技術難點。本文以大型船舶的附屬航行器和工作船為對象,對基于格網(wǎng)慣性導航機械編排的極區(qū)捷聯(lián)慣導系統(tǒng)快速傳遞對準方法進行研究,以期實現(xiàn)快速、精確的極區(qū)傳遞對準。由于極區(qū)經(jīng)線急劇收斂,基于地理系指北方位機械編排的主、子慣導系統(tǒng)導航方法和傳遞對準方法,都會在極區(qū)會存在誤差增大和計算溢出的問題,進而導致傳遞對準精度降低甚至出現(xiàn)發(fā)散的情況。格網(wǎng)系慣性導航方法可以避免極區(qū)經(jīng)線收斂帶來的問題,因此其可以應用于極區(qū)傳遞對準�，F(xiàn)有的格網(wǎng)系傳遞對準方法,由于其狀態(tài)量無法被直接觀測,因此其可觀測性較低,導致該方法對機動性要求較高,不適用于機動性較低的大型船舶傳遞對準。同時,由于該方法增加了觀測矩陣的復雜性,且干擾誤差補償不明確,不利于實現(xiàn)精確、快速的極區(qū)傳遞對準,因此需要對格網(wǎng)系傳遞對準方法進行改進。同時,針對其干擾誤差補償不明確的問題,對傳遞對準的干擾誤差進行分析,為格網(wǎng)系傳遞對準方法的改進提供參考依據(jù)。針對現(xiàn)有格網(wǎng)系傳遞對準方法的問題,基于“速度+姿態(tài)”快速傳遞對準方程,選取主、子慣導之間完全可觀測的量測失準角和速度誤差作為狀態(tài)量與觀測量,對格網(wǎng)系傳遞對準誤差方程進行改進;同時,針對靜態(tài)桿臂和撓曲變形模型補償方法存在的問題,綜合考慮撓曲變形對桿臂效應的影響,設計動態(tài)桿臂補償法,并借助白噪聲補償原理,設計撓曲變形的噪聲補償法;建立格網(wǎng)系傳遞對準改進濾波模型,并針對撓曲變形噪聲補償法會降低卡爾曼濾波估計效果的問題,設計并改進Sage-Husa自適應卡爾曼濾波來保障對準性能;基于奇異值分解可觀測性分析法,對格網(wǎng)系傳遞對準改進方法進行可觀測性分析,并根據(jù)分析結果設計可以提高對準性能的運動方案。格網(wǎng)系傳遞對準改進方法,能夠在極區(qū)環(huán)境下有效地實現(xiàn)對干擾誤差的補償和對失準角的估計,且其在勻加速直線運動狀態(tài)下具有更高的可觀測度和更好的對準效果。在傳遞對準實際應用中,主、子慣導系統(tǒng)之間的方位失準角可能會很大。在大方位失準角的情況下,基于小失準角假設的格網(wǎng)系傳遞對準改進方法,將會出現(xiàn)精度降低的問題。針對大方位失準角帶來的問題,將系統(tǒng)考慮為非線性,在格網(wǎng)系非線性誤差方程的基礎上,對格網(wǎng)系傳遞對準非線性方法進行全局可觀測性分析;基于動態(tài)桿臂補償法與撓曲變形噪聲補償法,對格網(wǎng)系非線性誤差方程進行完善,建立格網(wǎng)系傳遞對準非線性干擾誤差補償模型;針對撓曲變形噪聲補償法造成的過程噪聲強度過大,以及極區(qū)惡劣海洋環(huán)境下噪聲統(tǒng)計特性不確定的問題,設計自適應無跡卡爾曼濾波來對非線性模型進行狀態(tài)估計。格網(wǎng)系傳遞對準非線性方法,可以適用于大方位失準角下的極區(qū)傳遞對準應用,且無論船舶處于何種運動狀態(tài)都具有良好的對準精度。極區(qū)的多徑效應會使得衛(wèi)星導航系統(tǒng)精度降低甚至發(fā)散,主慣導系統(tǒng)由于無法通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)校正或校正效果不好而出現(xiàn)誤差,進而對傳遞對準的精度產(chǎn)生不利的影響。為了在主慣導系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的情況下保障傳遞對準的精度,基于格網(wǎng)系傳遞對準非線性模型與自適應無跡卡爾曼濾波,研究借助外部參考信息輔助的格網(wǎng)系傳遞對準方法。通過對多普勒計程儀和星敏感器工作原理的分析,分別建立其誤差模型;利用多普勒計程儀測量的速度與星敏感器測量的姿態(tài),構建高精度的“速度+姿態(tài)”觀測量,建立聲學/天文輔助格網(wǎng)系傳遞對準非線性方法�；诼晫W/天文導航輔助的格網(wǎng)系傳遞對準非線性方法,能夠在主慣導系統(tǒng)有誤差的情況下,充分保障極區(qū)傳遞對準的性能。本文分別在小失準角和大方位失準角情況下對格網(wǎng)系傳遞對準方法進行改進與完善,并針對極區(qū)多徑效應導致主慣導系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的問題,研究聲學/天文導航輔助的格網(wǎng)系傳遞對準方法。仿真與實測數(shù)據(jù)實驗結果表明:格網(wǎng)系傳遞對準改進方法,在小失準角情況下能夠在15秒以內實現(xiàn)高精度(三軸實際物理失準角誤差在0.3角分以內)的對準結果,在大方位失準角情況下能夠在40秒以內實現(xiàn)高精度(三軸實際物理失準角誤差在3.3角分以內)的對準結果;聲學/天文導航輔助格網(wǎng)系傳遞對準方法,可以在主慣導系統(tǒng)有誤差的情況下,在40秒以內實現(xiàn)高精度(三軸實際物理失準角誤差在6角分以內)的對準結果,有效地保障極區(qū)傳遞對準的性能。
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1
【圖文】：

并可以有效地補償桿臂效應與撓曲變驗條件與結果低緯度區(qū)域，地理限制導致無法在極區(qū)進行現(xiàn)實物仿真的形式進行。慣性測量器件的輸出可 b b bib ib ibb b b f f f 出的角速度， bf 為加速度計輸出的比力；bib 比力真值；bib 為陀螺儀誤差，b f 為加速度和載體運動狀態(tài)被確定下來，慣性測量器件的極區(qū)還是非極區(qū)的bib 和bf 都可以通過仿真計計誤差b f 可以從實測數(shù)據(jù)中提取出來。因此的輸出可以通過在非極區(qū)的實測數(shù)據(jù)和仿真獲的陀螺儀和加速度計所組成，如圖 3.11 所示。安裝在一個高精度三軸轉臺上，如圖 3.12 所示

圖 3.12 高精度三軸轉臺與捷聯(lián)慣導系統(tǒng)Fig.3.12 High-precision, three-axis turntable and SINS實驗中的姿態(tài)、運動狀態(tài)、主慣導慣性器件測量誤差和傳實驗中的相關參數(shù)一致。其他參數(shù)設置如下：慣性器件測量誤差的相關參數(shù)分別為：三軸陀螺常ad /s，94.0947 1 0 rad /s 和81.9605 1 0 rad /s ，三軸6 rad /s ，63.264 10 rad /s 和61.534 10 rad /s ；三軸加6 2 1 0 m /s 、6 22.7952 1 0 m /s 和6 27.2110 10 m /s ，三20161 m /s 、20.001698 m /s 和20.0003723 m /s 。間為 25s ，步長為 0.1s 。初始狀態(tài)估計協(xié)方差陣0P 、系統(tǒng)噪聲協(xié)方差陣 R 分別被設定為) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 2 2 2 292 2 9 8 622 2 2 222 6 / , 0.1 / , 0.1 , 0.1 , 0.5 , 6.3895 10 947 10 , 1.9605 10 , 5.0024 10 952 10 , 0.1 , 0.1 , 0.5 , 10 , 2/ / // ,5radradm s m sm ms rad s m sm s

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