【摘 要】
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捷联航姿系统在进入正常工作模式前必须要进行初始对准,以获得初始姿态基准,因此初始对准过程的对准速度和精度将直接决定捷联航姿系统的启动时间和姿态测量精度。然而,传统初始对准方法在进行对准时依赖外部设备提供纬度信息。针对卫星信号失锁、拒止及水下等无法接收定位信号的复杂环境,传统初始对准方法将无法开展初始对准工作,因此亟需开展无纬度初始对准方法研究。目前,关于无纬度条件下初始对准研究还不成熟,角运动和线
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捷联航姿系统在进入正常工作模式前必须要进行初始对准,以获得初始姿态基准,因此初始对准过程的对准速度和精度将直接决定捷联航姿系统的启动时间和姿态测量精度。然而,传统初始对准方法在进行对准时依赖外部设备提供纬度信息。针对卫星信号失锁、拒止及水下等无法接收定位信号的复杂环境,传统初始对准方法将无法开展初始对准工作,因此亟需开展无纬度初始对准方法研究。目前,关于无纬度条件下初始对准研究还不成熟,角运动和线运动对无纬度初始对准影响机理有待深入研究,现有无纬度初始对准方法主要针对静基座和摇摆基座条件下无纬度对准问题,存在易被器件噪声干扰的不足,而且航行状态下无纬度初始对准问题尚未得到解决。本课题“捷联航姿系统无纬度初始对准方法研究”,围绕无纬度条件下捷联航姿系统快速启动及准确测姿任务要求,深入分析角运动和线运动对无纬度初始对准的影响机理,将无纬度初始对准问题转化为Wahba姿态确定问题,建立不依赖外部纬度信息的相关物理量估计模型及目标函数,提出了针对静基座、摇摆基座及航行状态的无纬度初始对准方法,以实现复杂环境下捷联航姿系统无纬度初始对准。论文主要研究内容如下:首先,针对静基座无纬度快速对准问题,利用加速度计、陀螺信息及相关约束关系替代纬度信息,建立了导航系下地球自转角速度矢量模型;在此基础上将静基座无纬度对准问题转化为Wahba姿态确定问题,相继提出了基于特征值分解的静基座无纬度自对准方法和基于梯度下降优化的静基座快速对准方法,实现了无纬度条件下的静基座快速对准;建立误差模型,分析所提方法理论对准误差,得到结论:所提方法与依赖纬度信息的OTRIAD方法具有相同理论对准误差,且达到器件误差极限值,这表明本文提出静基座无纬度快速对准方法在无纬度条件下不会增加额外对准误差。实验结果表明,相比现有静基座无纬度对准方法ONTRIAD1,所提方法横摇、纵摇及航向对应最大误差分别降低了12.31%、12.31%及2.83%,与经数据平均预处理后的OTRIAD2相同;相比经数据平均处理的ONTRIAD2,在航向180°360°范围内其航向最大误差降低了2.02%。其次,针对摇摆基座无纬度自对准问题,提出了一种基于地球系下重力加速度矢量的摇摆基座无纬度自对准方法。该方法利用惯性系重力加速度矢量表观运动及相关约束关系替代纬度信息构建地球系下重力加速度矢量估计模型,引入多量测信息消除模型对初始时刻量测的依赖,在此基础上建立无纬度信息的摇摆基座对准目标函数,改进并得到基于速度型和位置型目标函数,提高了无纬度条件下摇摆基座对准精度。实验结果表明,所提方法对准结果优于现有摇摆基座无纬度对准方法TVSA,横摇、纵摇及航向对应最大误差分别降低了1.45%、13.43%及27.85%,并接近传统惯性系对准方法TRIAD结果。然后,针对航行状态下无纬度初始对准问题,提出了包括姿态四元数粗估计与修正过程的航行状态下无纬度对准方案:忽略线运动而将航行状态下无纬度对准简化为摇摆基座无纬度初始对准问题,基于比力方程建立目标函数,应用摇摆基座无纬度对准方法得到姿态四元数粗略值;在深入分析线运动对于无纬度初始对准影响机理后,利用姿态粗略值补偿陀螺输出中的运动角速度分量,消除线运动影响以修正姿态四元数,进而实现了航行状态下无纬度对准。进一步,在此基础上提出了一种基于速度积分公式的航行状态无纬度对准方法,从原理上避免了比力方程中速度差分计算加速度的过程,有效地解决了航行状态下无纬度初始对准问题。实验结果表明,所提方法最大误差结果小于依赖外部纬度信息的传统对准方法ADIA,验证了该方法解决航行状态无纬度初始对准问题的有效性。最后,为验证本文提出的静基座、摇摆基座及航行状态下无纬度初始对准方法的实际性能,利用实验室自研光纤捷联航姿系统(陀螺漂移0.01°/h,加速度计零偏100g),分别进行了四位置转台静态对准实验、四位置转台摇摆与实船系泊对准实验、匀速航行与机动航行对准实验。实验结果表明,本文所提静基座无纬度快速对准方法在60s内达到水平最大误差小于0.01°、航向最大误差小于0.05°的对准结果,相比现有无纬度对准方法ONTRIAD2,航向最大误差降低了8.31%;所提摇摆基座无纬度自对准方法在600s内水平最大误差结果小于0.02°、航向最大误差小于0.07°,并接近传统惯性系对准方法TRIAD结果;所提航行状态无纬度对准方法实现了航行状态下无纬度对准,并在1800s内取得水平最大误差结果小于0.02°、航向最大误差小于0.07°的对准结果;因此,实验结果验证了本文所提方法在解决实际无纬度条件下初始对准问题时的有效性。
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