高动态SINS更新和动基座传递对准方法

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战术导弹一般由捷联惯性导航系统(SDINS-Strapdown Inertial Navigation System)提供初段和(或)中段制导,其导航信息是制导与控制律设计的基础,因而弹载SDINS的精度影响着导弹的命中精度。通常意义上所讲的“导航”就是能够实时地输出运载体的运动信息,为武器系统的制导和控制律设计提供必要的运动参数。惯导系统的基本工作流程是:系统加电—初始对准—进入导航状态—导航参数输出—误差估计—校正惯导。其关键技术之一为初始对准技术,所谓初始对准就是为导航系统进行导航解算提供精确的初始值,对于战术导弹而言初始对准的精度和快速性是影响其命中精度和反应能力的关键因素。为适应高动态的作战要求,对弹载SDINS高动态更新算法的精度提出了更高的要求。本文以多点悬挂战术导弹系统为背景,针对高动态SDINS更新算法和动基座传递对准技术进行了研究。  首先,针对某些新型陀螺输出为角速率信号时的姿态更新问题,提出了直接利用角速率信号进行圆锥误差补偿的算法。圆锥误差补偿是捷联惯导系统姿态更新算法中的关键技术之一,尤其对于高动态运载体该误差的补偿尤为重要。本文在等效旋转矢量法的总体框架下研究高动态SDINS姿态更新问题。传统的圆锥误差补偿算法都是基于惯性器件增量输出的,而目前许多新型陀螺都是输出角速率信号,如果由角速率信号利用梯形公式、辛普森公式或其他积分公式近似得到角增量,然后再按照传统的方法进行圆锥误差的补偿,无疑增加了系统的运算量且精度下降。针对该问题,本文提出了直接利用角速率信号进行圆锥误差补偿的算法,推导出了一种新的高精度圆锥误差补偿算法并通过仿真分析验证了该算法的有效性。  其次,针对高动态SDINS速度解算中的划桨误差补偿问题提出了直接利用比力信号和角速率信号进行补偿的算法。划桨误差是捷联惯导系统速度解算中的一种误差,对于高动态的SDINS而言该误差对导航精度的影响必须予以考虑。本文研究了基于加速度计比力输出信号和陀螺仪角速率输出信号的划桨误差补偿问题,推导出了一种高精度的算法,通过仿真验证了所提算法的有效性,并在此基础上利用对偶原理分析了圆锥误差和划桨误差补偿的统一性,提出了将圆锥误差补偿算法直接移植到划桨误差补偿算法中,避免了繁琐的重复推导过程。  最后,本文针对多点悬挂战术导弹系统SDINS动基座传递对准问题提出了量测失准角+速度匹配以及最优姿态+速度匹配的传递对准匹配方案,并将四元数引入到动基座传递对准研究中。在该领域中,当初始失准角为小角度时是一套近似线性化的方法,当主子惯导的标称安装角度已知时,最优姿态匹配方案实际上也属于小初始失准角的范畴。而当载体多点悬挂战术导弹和任意角度发射时使得该小角度假设不再成立,本文在研究量测失准角+速度匹配以及最优姿态+速度匹配的快速传递对准方案的基础上,针对多点悬挂战术导弹以及任意角度发射问题,在推导主子惯导相对运动关系的基础上将四元数引入到快速传递对准中,进行了详尽地理论推导和分析,拟在该领域提供有价值的理论参考。另外,在动基座传递对准的仿真分析中,目前大多数做法是从建立的传递对准滤波状态方程和量测方程入手,直接从导航参数上加入各种误差并应用先进滤波技术估计出子惯导的初始对准误差,从某种意义上来讲这种做法只是验证了滤波算法的有效性,并没有真正结合主子惯导的相对运动关系来研究匹配算法的有效性,针对此本文提出了一种仿真策略,首先由传递对准的有效机动方案通过主惯导系统的轨迹发生器产生主惯导惯性器件的输出并进行导航解算,在主惯导比力和角速率输出的基础上由主子惯导相对运动关系得到子惯导惯性器件的输出,然后考虑挠曲变形、惯性器件测量误差等各种误差因素后得到子惯导实际的运动参数,在此基础之上研究各种匹配方案和滤波算法的有效性。提出的仿真策略比较真实地模拟了载体悬挂导弹系统的动基座传递对准特性。
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