面向高動態(tài)環(huán)境的SINS-GPS高精度組合測量中的關(guān)鍵問題研究.pdf

1、隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和國際競爭力的逐步提升，工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)d體運動參數(shù)的測量要求也在不斷提高，主要體現(xiàn)在測量的精度、長期穩(wěn)定性以及動態(tài)范圍等方面，具體的工程應(yīng)用則包括高分辨率對地觀測系統(tǒng)的運動誤差補償、大型艦船船體動態(tài)變形的實時測量等。當(dāng)前，就精度性能而言，單一的測量系統(tǒng)已經(jīng)很難滿足實際工程應(yīng)用的需求。因此，在盡量不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，充分利用先進的理論和算法對捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Strapdown Inertial Navig

2、ation System，SINS）與全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)進行綜合，構(gòu)成以SINS為主的高精度組合測量系統(tǒng)，具有相當(dāng)重要的實際應(yīng)用價值。
　　實際的載體運動往往具有動態(tài)變化劇烈（包括角運動和線運動）、突發(fā)性強以及隨機不確定等特征（高精度的應(yīng)用場合更是如此）。高動態(tài)的載體運動環(huán)境下，如何保證系統(tǒng)整體的精度性能是SINS/GPS組合測量需要解決的首要問題。本文以高動態(tài)環(huán)境下的SIN

3、S/GPS組合系統(tǒng)為對象，以有效提高組合測量的整體精度為目標(biāo)，從捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的適用性和組合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合兩個方面進行了較為深入的研究，主要內(nèi)容包括如下四點:
　　(1)基于對偶四元數(shù)的捷聯(lián)螺旋算法優(yōu)化設(shè)計。在闡述基本工具——對偶四元數(shù)的概念和性質(zhì)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了螺旋矢量微分方程，并根據(jù)對偶四元數(shù)鏈乘規(guī)則給出了相應(yīng)的數(shù)值積分算法的框架;結(jié)合對經(jīng)典的圓錐運動和劃船運動的理解，從經(jīng)典的螺旋運動表達式出發(fā)，通過簡化分析得到了一種特殊的

4、螺旋運動，并對數(shù)值積分算法的核心部分——螺旋算法進行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，具體的優(yōu)化過程涉及兩類傳感器信號（增量信號和瞬時信號）;分析了數(shù)字仿真結(jié)果與優(yōu)化過程中的殘留誤差并不完全一致的現(xiàn)象，指出了可能存在的誘因。
　　(2)深入研究了(1)中的理論分析與仿真結(jié)果不完全一致的問題。為簡化分析，以角增量結(jié)構(gòu)、硬件增強角速率結(jié)構(gòu)以及角速率結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)圓錐優(yōu)化算法為研究對象，通過反向推導(dǎo)得到了經(jīng)典的圓錐運動環(huán)境下姿態(tài)更新周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)矢量變化量的真

5、值;針對特定的載體運動條件分析了三類算法中非周期和周期分量偏離各自理想值的程度，并據(jù)此對具體的多子樣算法進行了比較和分類;通過對算法驗證結(jié)果的分析，給出了實際選用過程中可供借鑒的指導(dǎo)原則。
　　(3)針對周期分量的三類傳統(tǒng)圓錐優(yōu)化算法的改進。結(jié)合傳統(tǒng)算法的表達形式給出了改進算法的具體結(jié)構(gòu)，并通過推導(dǎo)得到的旋轉(zhuǎn)矢量變化量的真值確定了改進算法的整體優(yōu)化目標(biāo);根據(jù)所提出的二次優(yōu)化的誤差準(zhǔn)則對算法表達式中的二次優(yōu)化補償系數(shù)進行了求解;考慮

6、不同精度級別的慣性傳感器，設(shè)計了多種條件下的仿真試驗以檢驗高動態(tài)的載體角運動環(huán)境下的算法性能，試驗的結(jié)果證實了所設(shè)計算法的合理性和準(zhǔn)確性。
　　(4)高動態(tài)環(huán)境下SINS/GPS組合系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合方法?？紤]SINS/GPS組合系統(tǒng)狀態(tài)的高維特性，引入了非線性的容積卡爾曼濾波器（Cubature Kalman Filter，CKF），并針對“高動態(tài)的運動環(huán)境容易導(dǎo)致系統(tǒng)模型出現(xiàn)不確定性”的問題進一步改進了已有的強跟蹤CKF的結(jié)構(gòu);結(jié)合