惯性导航重力补偿方法研究

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21世纪是海洋的世纪,水下潜航器是世界各国探索海洋奥秘、开发海洋资源和争夺制海权的重要支撑,将被广泛地应用于海洋科学、商业和军事领域。水下导航定位系统提供的位置、速度与姿态信息是水下潜航器航行安全与实施有效作业的重要保证。惯性导航系统是当前水下潜航器的主要导航定位手段,惯性导航具有全天候、不受外部干扰等优点,能够满足军用水下潜航器的隐蔽性需求。在包括惯性器件误差、算法误差和重力扰动的激励下,惯性导航系统误差随时间累积,严重地制约了潜航器水下长航时导航能力。随着惯性传感器精度的不断提高,重力扰动已逐渐成为了影响惯性导航精度的主要误差源之一,补偿重力扰动对惯性导航系统的影响是提高水下潜航器长航时导航能力的一种重要途径。本文针对重力扰动对惯性导航系统的影响,开展了惯性导航重力补偿方法研究。本文首先分析了重力扰动引起惯性导航误差机理,基于分析结论提出了重力扰动补偿方法,并研究了应用重力扰动补偿方法时将所涉及的两个关键问题,主要研究成果归纳如下:1、对重力水平扰动引起惯性导航误差的机理开展研究。从坐标系定义与向量计算法则角度,同时分析了重力水平扰动对初始对准与导航解算的影响,分析结论表明重力水平扰动引起惯性导航误差的机理在于,由于重力水平扰动的存在,初始对准中所建立的导航坐标系与导航计算方程所假设的导航坐标系不一致,使得导航计算方程中的向量属于不同坐标系,不满足向量计算法则,因而造成了惯性导航误差。2、根据重力水平扰动引起惯性导航误差机理分析结论,首先从理论上明确了重力水平扰动需要在初始对准与导航计算两个阶段都进行补偿,而不是仅在其中一个阶段补偿。针对两种不同的导航坐标系定义,提出了重力水平扰动速度补偿方法和重力水平扰动姿态补偿方法。3、加速度计零偏与重力水平扰动耦合影响补偿效果,在一定情况下甚至可能出现补偿重力水平扰动后惯性导航精度反而降低,因此在应用重力水平扰动补偿方法时必须考虑加速度计零偏的影响。针对这一问题,建立了捷联式重力矢量测量噪声模型,并基于此模型提出了一种加速度计零偏估计方法,以消除加速度计零偏对重力水平扰动补偿效果所带来的影响。4、从理论上分析了惯性导航对重力水平扰动补偿的需求,分析结论表明影响惯性导航精度的主要是频率低于舒勒频率的低频重力扰动,结合重力场球谐函数模型阶次与重力信号频率的关系,得到了对惯性导航系统影响较大的模型阶次,将此分析结论与本文所提出的重力水平扰动补偿方法相结合,提出了重力水平扰动降阶补偿算法。
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