捷联惯性导航系统关键技术研究

捷联式惯性导航系统是一种十分先进的惯性导航技术，是近年来惯性技术的一个发展方向。由于捷联系统具有一系列优点，捷联系统取代平台式惯性导航系统，已成为新世纪惯性技术发展的一大趋势。本论文围绕着鱼雷捷联惯性导航系统中的关键技术进行了研究。 1．首先提出和论证了鱼雷捷联惯性导航系统的方案并且详细的介绍了鱼雷捷联惯性导航系统的硬件组成部分，包括计算机、陀螺仪、加速度计的选择及陀螺仪和加速度计再平衡回路的设计；介绍了鱼雷捷联惯性导航系统的工作原理；阐明了鱼雷捷联惯性导航系统的软件构成，及捷联系统的总体流程图。 2．捷联矩阵更新算法是捷联系统的关键技术之一，捷联惯导系统姿态算法有欧拉角法、方向余弦法、四元数法和圆锥补偿算法等几种方法。本文对捷联惯性导航系统捷联矩阵的更新算法进行了系统的研究，详细地分析了四元数法、圆锥补偿算法、及在此基础上发展起来的利用前一时刻陀螺仪输出的改进圆锥补偿算法。并在原有算法基础上推导出陀螺输出为角速率时的捷联矩阵更新算法。现有的捷联航姿算法均分析了纯算法误差，即惯性元件的输出为理想输出，没有任何误差时的姿态误差，然而许多捷联惯导系统都工作在比较恶劣的环境中，惯性元件的输出中不可避免地存在着干扰量。本文从工程实用的角度出发，对现有的几种算法进行了比较，得出了四元数法的抗干扰性能比圆锥补偿算法好的结论，为捷联航姿算法的工程应用提供了参考。 3．捷联惯性导航系统初始对准的目的是建立捷联矩阵的初始值。从捷联惯性系统误差方程的分析可知，初始对准误差会随时间而传播，初始对准的精度直接影响整个捷联系统的系统精度，因此提高初始对准的精度对改善捷联系统精度是至关重要的。本文提出了一种快速、高精度的捷联式惯性导航系统静基座组合对准的方法，推导了捷联式惯性导航系统静基座组合对准的误差方程和量测方程，并采用PWCS理论对该系统进行了可观测性分析，证明该系统是完全可观测的。对系统进行了仿真研究，证明了该种对准方法的可 哈尔滨工程大学博士学位论文 行性。提出了两种动基座传递对准的方法，一种是采用角速率匹配，一种是 采用加速度匹配，并分别推导了在考虑船体变形和杆臂效应时传递对推的误 差方程和量测方程，通过仿真验证了这两种传递对准方法的正确性。 4．在给定条件下，选用静基座组合对准方法中的精对准方法，完成了鱼 雷发射前的初始对准工作；鱼雷发射出去后，采用四元数法进行了捷联矩阵 的更新。并且分四种情况对系统进行了仿真，分析了加速计零偏和陀螺漂移 对失准角估计误差和姿态误差的影响。得出了所选用的初始对准和捷联矩阵 更新算法完全满足系统要求的结论，说明为某型鱼雷捷联惯性系统设计的方 案是可行的。