高動態(tài)捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的并行實現(xiàn)研究.pdf

1、針對高超聲速巡航導彈的高速高機動特性，本論文研究高動態(tài)下的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)并行實現(xiàn)方法，涉及初始對準算法、并行卡爾曼濾波器設計、捷聯(lián)解算算法、并行捷聯(lián)解算算法設計以及FPGA實現(xiàn)技術等方面。其內容主要包括以下幾個方面：
　　 1.類似于組合導航中的耦合機制，在對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)導航計算機的功能需求以及性能需求進行分析的基礎上，提出了三類導航計算機的并行體系架構，即淺并行體系架構、深并行體系架構和全并行體系架構。其中，在全并行體系架構中，

2、所有的計算均是并行化執(zhí)行的，因此就需要設計全新的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準和捷聯(lián)解算算法，即并行初始對準算法和并行捷聯(lián)解算算法等。
　　 2.針對武器系統(tǒng)快反下的高晃動特性，提出了兩種新的晃動基座捷聯(lián)慣導系統(tǒng)初始對準算法，即基于動態(tài)增益調節(jié)的捷聯(lián)羅經(jīng)對準方法(DGA-Compass)和卡爾曼濾波對準方法(New-Kalman)。其中，在DGA-Compass對準算法中，根據(jù)濾波時間和運載體姿態(tài)變化劇烈程度動態(tài)調節(jié)對準回路的增益使系統(tǒng)姿

3、態(tài)角輸出隨運載體的低頻大幅度晃動的變化而變化，加快了對準算法的收斂速度，即縮短了系統(tǒng)的初始對準時間；在卡爾曼濾波對準算法中，通過在卡爾曼濾波器觀測量中引入水平加速度計測量值，提高對準算法的性能。
　　 3.針對提高卡爾曼濾波對準算法實時跟蹤運載體真實姿態(tài)變化的局限性，提出了一種基于法捷耶夫算法的卡爾曼濾波器并行脈動陣列結構實現(xiàn)。對于任意給定的兩個或多個矩陣，矩陣運算(矩陣求逆、矩陣相乘和矩陣相加)或三種運算的合運算都可通過它們對

4、應的法捷耶夫算法實現(xiàn)。由脈動陣列結構的規(guī)則性、模塊性等特性可知，脈動陣列結構是一種很好的實現(xiàn)法捷耶夫算法的并行結構。從而可將卡爾曼濾波器表示為一些列矩陣運算形式，然后基于法捷耶夫算法將其映射為并行脈沖陣列結構來實現(xiàn)。
　　 4.針對高超聲速巡航導彈的高速高機動運動特性，提出了一種適合高動態(tài)的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)捷聯(lián)解算算法。其中，考慮到當前計算機的性能(高速和高吞吐量)，在捷聯(lián)解算算法中采用了單速結構。并且針對姿態(tài)更新中的圓錐運動和姿態(tài)

5、更新中的劃槳運動，提出了一種新的廣義優(yōu)化圓錐補償算法和劃槳補償算法。其相對于現(xiàn)有的圓錐和劃槳補償算法，當慣性器件的輸出采樣速率恒定時，圓錐和劃槳補償算法的更新速率與慣性器件的輸出采樣個數(shù)無關，即在圓錐和劃槳補償算法的高更新速率下可采用高階更新算法。
　　 5.考慮到姿態(tài)更新算法是捷聯(lián)解算算法的核心，也是影響系統(tǒng)精度的主要因素，特別是對作高速高機動運動的高超聲速巡航導彈等運載體來說，定量分析了圓錐補償算法的階次以及更新周期對算法誤

6、差的影響大小。通過分析可知，相對于更新周期，圓錐補償階次對姿態(tài)誤差的影響關系更為復雜。當運載體作中低動態(tài)運動時(即中低圓錐運動頻率)，可通過同時提高圓錐補償?shù)母滤俾屎驮龃髨A錐補償階次來減小系統(tǒng)的姿態(tài)誤差；當運載體作高動態(tài)運動時(即高圓錐運動頻率)，考慮到圓錐補償?shù)母滤俾什荒軣o限制地提高，必須仔細選擇合適的圓錐補償階次。
　　 6.針對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)減小更新周期(即提高更新速率)可提高其精度的特點，特別是對作高速高機動的高超聲速

7、巡航導彈，提出了一種并行捷聯(lián)解算算法結構。根據(jù)并行算法的設計技術(即分治策略和流水線技術)，對捷聯(lián)解算算法進行了并行化設計，且對這種并行捷聯(lián)解算算法的性能進行定量分析。通過這種并行捷聯(lián)解算算法相對串行捷聯(lián)解算算法的性能(即相對加速比)分析可見，這種捷聯(lián)解算算法的并行化設計可顯著減小算法的執(zhí)行時間，從而可提高算法的更新速率。這就為工作在高動態(tài)環(huán)境下的捷聯(lián)慣導系統(tǒng)精度的提高提供了重要基礎。
　　 7.針對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的并行捷聯(lián)解算算