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姿态测量技术在海基航天测控、舰载导弹发射等领域具有重要的应用。随着激光陀螺在海面舰船以及水下作业平台应用的普及,惯性姿态测量成为海上姿态信息获取的重要途径。高精度惯性姿态测量受重力扰动影响明显,同时由于系统误差随时间积累,长航时测量精度难以保持。海洋重力场信息与激光陀螺姿态测量系统(Attitude&Heading Measurement System,AHMS)组合为发展无源、全天候、高精度海上姿态测量提供了思路。论文基于对重力辅助惯性姿态测量发展瓶颈的分析,分别从减小重力扰动对姿态测量的影响以及利用重力异常限定系统误差发散两方面着手,对垂线偏差(Deflections of the Vertical,DOV)高频分量的获取与补偿以及重力异常地图匹配的非线性滤波算法展开研究,提出重力矢量辅助AHMS方案,旨在进一步提高海上惯性姿态测量精度。仿真研究及海上实验验证了所提方案的有效性。论文的主要工作和研究成果归纳如下:(1)深入分析重力扰动对惯性姿态测量的影响机理。分别对初始对准和测量阶段重力扰动影响进行分析,从惯性姿态测量误差方程入手,推导了由常值垂线偏差引起的AHMS姿态误差的解析表达式,得到了姿态误差传播规律。进一步分析得到重力扰动对姿态影响的频率特征。结果表明:重力扰动在初始对准阶段引入初始对准误差,在测量阶段等效于加速度计零偏误差,二者共同影响姿态误差传播;对于海上低速运动的载体,重力扰动对姿态的影响主要表现为重力扰动水平分量的高频分量的影响。该结论为进一步减小重力扰动引起的姿态误差指明了研究方向。(2)针对重力补偿需要高分辨率DOV数据的要求,对现有全球重力场模型进行误差分析,在现有观测数据基础上通过地图精化技术提高重力格网数据提取精度;另一方面,对DOV在线估计方法进行研究,针对高频DOV估计的姿态观测法提出了两种实时化改进方案,基于模型选择的自适应延迟反馈法(Self-adaptive Delay Feedback method,SDF)和基于调Q的姿态观测法(Q-adjusting based Attitude Observation method,Q-AOM),研究表明两种方案均能够获得和后处理相当的DOV估计精度。(3)基于重力地图精化及DOV高频分量在线估计技术获得的数据准备,针对基于重力基准图的直接补偿以及基于DOV估计的滤波补偿展开研究。对地图补偿进行误差分析,针对不同系统工作模式展开研究;对基于DOV估计的滤波补偿,建立DOV预测模型,利用AHMS/GNSS组合在线估计DOV高频分量并补偿,提高组合系统姿态估计精度。利用海上AHMS数据及GPS速度参考进行间接实验验证,结果表明高频DOV直接补偿在重力扰动变化剧烈地区能有效提高AHMS姿态测量精度,基于DOV在线估计的滤波补偿能有效提高AHMS/GNSS组合系统的姿态测量精度。(4)为减小系统误差随时间积累,研究基于容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)的重力异常地图匹配方法。分析系统噪声和量测噪声对重力匹配效果的影响。对海上重力仪数据进行预处理研究,得到与沿航迹重力地图值较一致的重力异常测量值。基于实际数据对量测噪声特征进行分析,研究系统实现有效匹配对量测噪声强度及空间分辨率的要求,通过提高量测噪声的空间分辨率有效抑制CKF的发散,使无源AHMS能够长时间保持姿态测量精度。(5)基于DOV滤波补偿和重力异常地图匹配,提出重力矢量辅助AHMS方案,对重力扰动及系统误差引起的姿态误差进行综合校正,提高姿态测量精度。实验验证采用AHMS/GNSS替代重力梯度仪对DOV进行在线估计,以GNSS位置作为参考通过计算位置误差对姿态精度进行间接验证,实验结果表明重力矢量辅助AHMS方案相比自主惯性姿态测量精度有明显提高。