车载捷联惯导初始对准技术研究

作     者：邬佳 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王伟

授予年度：2020年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 081105[工学-导航、制导与控制] 080204[工学-车辆工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：启动漂移 经验模态分解 小波降噪 鲁棒反馈 UFIR 

摘      要：捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)已经在军事、民用等领域得到了广泛应用。初始对准作为整个捷联惯导系统工作前的关键步骤,其精度决定了整个导航系统的精度。车载捷联惯导初始对准分为静基座初始对准和动基座初始对准,其技术指标主要包括对准精度和对准时间。本课题针对车载捷联惯导系统实际工作环境中出现的惯性器件启动漂移、静基座初始对准过程中人为噪声干扰以及动基座初始对准过程中全球定位系统(Global Positioning System,GPS)速度误差和噪声失配等问题,提出相应的解决办法,具体研究内容如下:首先,针对车载捷联惯导系统初始对准情况下光纤陀螺和加速度计出现启动漂移的问题,通过采集分析光纤陀螺和加速度计在不同温度下启动的实测数据,研究了光纤陀螺和加速度计漂移与温度及温度变化率之间的关系,通过对目前光纤陀螺和加速度计漂移补偿模型进行简化,减小了计算量,实测数据验证了简化的模型能够有效补偿惯性器件启动漂移并缩短系统初始对准时间。其次,针对车载捷联惯导系统静基座初始对准过程中人为噪声干扰的问题,通过采集车载捷联惯导静基座下人员上下车、驻车发动机启动等情况的惯性器件数据输出,分析了其噪声特性,提出了改进的基于小波阈值策略的经验模态分解降噪算法,实测数据验证了该方法的降噪效果以及对提高静基座下初始对准算法稳定性的有效性。然后,针对动基座初始对准过程中GPS速度误差导致量测矢量误差增大的问题,提出了基于鲁棒反馈策略的惯性系初始对准算法,该方法基于前一个时刻估计的姿态预测当前时刻的量测矢量,并根据当前时刻的量测矢量求得当前时刻的方差,对前一个时刻的方差和当前时刻的方差进行比较并基于鲁棒控制的策略对当前量测矢量进行调整和反馈,仿真和实测数据验证了该方法能够有效提高动基座对准精度。最后,针对动基座初始对准过程中噪声失配的问题,通过对姿态误差进行分析建立系统状态空间模型,并引入无偏有限冲击响应(Unbiased Finite Impulse Response,UFIR)滤波的思想,提出了基于UFIR的惯性系初始对准算法,UFIR滤波器不需要像卡尔曼滤波器(Kalman Filter,KF)一样设置Q阵和R阵,其利用观测窗长内的有限测量数据进行无偏状态估计,降低了系统噪声和量测噪声特性未知或者改变时对姿态估计的影响,仿真和实测数据验证了该方法的有效性。