[发明专利]一种基于强跟踪动机座旋转调制大失准角初始对准方法

说明书

本发明公开了一种基于强跟踪动机座旋转调制大失准角初始对准方法。首先，基于动基座大失准角快速初始对准的需求，推导了基于旋转调制的无迹卡尔曼滤波模型（UKF），其次，研究了基于卡方检验的全维数渐消因子强跟踪卡尔曼滤波器，提高滤波器的抗干扰能力及鲁棒性，针对传统渐消因子求解精度较差的缺陷，建立基于改进的具有全局和局部搜索能力的粒子群算法(PSO)的渐消因子高精度迭代求解方法。通过本发明方法对具有确定参数单轴旋转调制动机座大失准角初始对准实验数据进行验证，取得效果能够满足高精度初始对准要求。

技术领域

本发明属于惯性导航领域，具体涉及一种基于强跟踪动机座旋转调制大失准角初始对准方法，针对无人艇的动基座大失准角初始对准耗时长、精度差等特征，实现快速、良好的对准精度。

背景技术

捷联惯导系统是一种自主、信息量全的导航系统，初始对准是捷联惯导系统的关键技术之一。初始对准的精度影响捷联惯导系统的导航精度，初始对准的速度影响载体的快速反应能力。在恶劣海况中，无人艇的初始对准需要面临动基座扰动及数学模型不准确等问题。常规初始对准分为粗对准和精对准，而常规粗对准在极端条件下(如突然的大机动和大侧滑)无法满足精对准对初始姿态的小角度要求。另一种方法是将非线性方程转化为线性的误差模型，以减少对粗对准的依赖，但此方法要求水平姿态角为小角度。非线性卡尔曼滤波模型如EKF(扩展卡尔曼滤波),UKF(无迹卡尔曼滤波)及CKF(容积卡尔曼滤波)是解决大失准角初始对准问题的常用方法，但上述方法在基于MEMS的单轴旋转调制捷联惯导初始对准上的相关应用较少。由于MEMS(微机电系统)噪声具有时变特性以及旋转调制带来的高动态干扰成分，卡尔曼滤波模型的系统及量测噪声统计特性不能准确获取，这将导致滤波模型精度下降甚至发散。AKF(自适应卡尔曼滤波)及SKF(强跟踪卡尔曼滤波)是解决卡尔曼滤波模型失配的常用方法，但不适用于非线性模型。因此，需要建立基于非线性卡尔曼滤波与自适应卡尔曼滤波融合模型，以实现大失准角动基座高精度初始对准。在对准时间方面，国内外舰载捷联惯导系统快速对准时间可控制在10分钟以内，但针对复杂海况下的无人艇快速初始对准研究及应用较为缺乏。

近年来，MEMS捷联惯导因其低成本、小体积以及高可靠性等特征，成为无人艇导航定位装置的理想选择,但MEMS陀螺存在随机噪声大、零偏大，零偏易受环境温度影响等问题，严重影响了其初始对准精度。当前，提高MEMS捷联惯导精度的方法主要有两种：①从结构工艺上出发，研发新型的、性能更高的惯性器件；②采用“系统级自补偿技术”减小陀螺及加速度计误差对惯导系统精度的影响。针对捷联惯导系统本身，继续从结构和工艺上提高其器件精度，技术难度大，研发周期长，成本较高，且难有突破。而“系统级自补偿技术”基于当前器件，运用旋转辅助机构与算法有效提高精度，是一种经济实效的方法。旋转调制技术是一种消除陀螺常值漂移的有效系统级自补偿方法，主要分为单轴、双轴及三轴旋转调制。双轴及三轴旋转调制系统虽能够调制惯性器件所有轴的常值漂移，但其结构复杂，制造成本及工艺要求较高，主要装备于大型舰船及潜艇上；单轴旋转调制系统能够调制除旋转轴方向外的惯性器件常值漂移，结构简单，体积紧凑，性能可靠，工程上较易实现，因此更适用于无人艇的应用需求。初始对准中，天向失准角可观测度较低，求解时间长，精度差，其最终对准精度由等效东向陀螺漂移决定。单轴旋转调制系统可调制陀螺东向及北向漂移，有效提高天向失准角求解精度，同时可提高天向失准角的可观测度，缩短对准时间。

单轴旋转调制技术可有效提高初始对准精度，但旋转系统会在陀螺输入轴中带入高动态干扰成分，改变陀螺原有随机误差特性，同时无人艇的非常规运动(突然的大机动和大侧滑)会带来很强的干扰项，严重影响滤波模型的准确性，甚至引起系统发散。SKF模型可有效补偿干扰项，其基本思想是通过渐消因子调节状态估计误差的均方误差阵以强迫残差序列相互正交，从而提取新息的有用信息，同时滤除有害的干扰项。但当前SKF的渐消因子求解维数依赖于量测量的维数，其有效维数远远小于状态估计误差的均方误差阵的维数，因此不能有效调节状态估计误差的均方误差阵。因此，需研究全维渐消因子的求解方法，以提高SKF的滤波精度。