卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理—初始對準(zhǔn)

1、Theory of Kalman Filter and Integrated Navigation第五章第五章 卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)三、慣導(dǎo)系統(tǒng)的動基座對準(zhǔn)四、慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對準(zhǔn)參考坐標(biāo)系1 1、建立參考坐標(biāo)系的意義、建立參考坐標(biāo)系的意義 宇宙間的一切物體都是在不斷地運(yùn)動宇宙間的一切物體都是在不斷地運(yùn)動, ,但對單個(gè)物體是無但對單個(gè)物體是無運(yùn)動可言的運(yùn)動可言的, ,只有在相對的意義下才可以談運(yùn)動只有在相對的意義下才可以談運(yùn)動. .一個(gè)物體在一個(gè)物體在空間的位置只能相對于另一個(gè)物體而確定空間的位置只能相對于另一個(gè)物體

2、而確定, ,這樣這樣, ,后一個(gè)物體后一個(gè)物體就構(gòu)成了描述前一個(gè)物體運(yùn)動的參考系就構(gòu)成了描述前一個(gè)物體運(yùn)動的參考系. . 參考系通常采用直角坐標(biāo)系來代表參考系通常采用直角坐標(biāo)系來代表, ,稱為參考坐標(biāo)系或簡稱為參考坐標(biāo)系或簡稱參考系稱參考系. .在研究陀螺儀或運(yùn)載體的運(yùn)動時(shí)在研究陀螺儀或運(yùn)載體的運(yùn)動時(shí), ,同樣需要有參考同樣需要有參考坐標(biāo)系才成坐標(biāo)系才成. . 陀螺儀最重要的功用之一就是用它在運(yùn)載體上模擬地理陀螺儀最重要的功用之一就是用它在運(yùn)載體上模擬地理坐標(biāo)系或慣性坐標(biāo)系。坐標(biāo)系或慣性坐標(biāo)系。 常用坐標(biāo)系：地心慣性坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系、地理坐標(biāo)系、常用坐標(biāo)系：地心慣性坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系、地理坐

3、標(biāo)系、載體坐標(biāo)系。載體坐標(biāo)系。參考坐標(biāo)系2 2、幾個(gè)參考坐標(biāo)系的定義、幾個(gè)參考坐標(biāo)系的定義慣性坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系 通常把使得牛頓力學(xué)定律成立的參考坐標(biāo)系通常把使得牛頓力學(xué)定律成立的參考坐標(biāo)系, ,稱為慣性稱為慣性坐標(biāo)系，簡稱慣性系；坐標(biāo)系，簡稱慣性系； 根據(jù)選取的坐標(biāo)系原點(diǎn)不同，分為日心慣性坐標(biāo)系和根據(jù)選取的坐標(biāo)系原點(diǎn)不同，分為日心慣性坐標(biāo)系和地心慣性坐標(biāo)系。地心慣性坐標(biāo)系。日心慣性坐標(biāo)系日心慣性坐標(biāo)系：原點(diǎn)取在太陽的中心：原點(diǎn)取在太陽的中心, ,三根軸指向確定的三根軸指向確定的恒星。恒星。地心慣性坐標(biāo)系地心慣性坐標(biāo)系（OXiYiZiOXiYiZi）：原點(diǎn)取在地球的中心）：原點(diǎn)取在地球的中心,X

4、i,Xi和和YiYi軸位于赤道平面內(nèi)并指向確定的恒星，軸位于赤道平面內(nèi)并指向確定的恒星，ZiZi軸與地軸（地軸與地軸（地球自轉(zhuǎn)軸）重合。地心慣性坐標(biāo)系不參與地球自轉(zhuǎn)。球自轉(zhuǎn)軸）重合。地心慣性坐標(biāo)系不參與地球自轉(zhuǎn)。慣性空間慣性空間：慣性坐標(biāo)系三根軸所代表的空間。：慣性坐標(biāo)系三根軸所代表的空間。 XYZ參考坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系（OXeYeZeOXeYeZe） 與地球固連，原點(diǎn)取在地球與地球固連，原點(diǎn)取在地球的中心的中心,Xe,Xe和和YeYe軸位于赤道平面軸位于赤道平面內(nèi)，分別指向本初子午線和東經(jīng)內(nèi)，分別指向本初子午線和東經(jīng)9090子午線，子午線，ZeZe軸與地軸重合。軸與地軸重合。 地球

5、坐標(biāo)系參與地球自轉(zhuǎn)，地球坐標(biāo)系參與地球自轉(zhuǎn)，它相對于慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速它相對于慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度就等于地球自轉(zhuǎn)角速度。度就等于地球自轉(zhuǎn)角速度。 地球相對慣性空間的轉(zhuǎn)動，地球相對慣性空間的轉(zhuǎn)動，可以用地球坐標(biāo)系相對于慣性坐可以用地球坐標(biāo)系相對于慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動來表示。標(biāo)系的轉(zhuǎn)動來表示。 XeYeZe本初子午線本初子午線X*t參考坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系（ONEZONEZ） 其原點(diǎn)與運(yùn)載體的重心其原點(diǎn)與運(yùn)載體的重心重合重合,E,E軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€指東軸沿當(dāng)?shù)鼐暰€指東,N,N軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指北軸沿當(dāng)?shù)刈游缇€指北,Z,Z軸沿軸沿當(dāng)?shù)氐卮咕€指天當(dāng)?shù)氐卮咕€指天. .其中其中E E軸與軸與N N軸構(gòu)成

6、的平面即為當(dāng)?shù)厮S構(gòu)成的平面即為當(dāng)?shù)厮矫嫫矫?N,N軸與軸與Z Z軸構(gòu)成的平面軸構(gòu)成的平面即為當(dāng)?shù)刈游缑婕礊楫?dāng)?shù)刈游缑? . 這種地理坐標(biāo)系是跟隨這種地理坐標(biāo)系是跟隨運(yùn)載體運(yùn)動的運(yùn)載體運(yùn)動的, ,更確切地說更確切地說應(yīng)稱為動地理坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)貞?yīng)稱為動地理坐標(biāo)系或當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系地理坐標(biāo)系. . 1 1參考坐標(biāo)系 當(dāng)運(yùn)載體在地球上運(yùn)動時(shí)當(dāng)運(yùn)載體在地球上運(yùn)動時(shí), ,運(yùn)載體相對地球的位置不斷運(yùn)載體相對地球的位置不斷改變改變; ;而地球上不同地點(diǎn)的地理坐標(biāo)系而地球上不同地點(diǎn)的地理坐標(biāo)系, ,其相對地球坐標(biāo)系其相對地球坐標(biāo)系的角位置是不相同的的角位置是不相同的. .也就是說，運(yùn)載體相對地球運(yùn)動引起也就是說

7、，運(yùn)載體相對地球運(yùn)動引起地理坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動地理坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動. .這時(shí)地理坐標(biāo)系相對慣性這時(shí)地理坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度應(yīng)包括兩個(gè)部分：一是地理坐標(biāo)系相坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度應(yīng)包括兩個(gè)部分：一是地理坐標(biāo)系相對地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度對地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度: :另一是地球坐標(biāo)系相對慣性坐另一是地球坐標(biāo)系相對慣性坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角速度. . 地理坐標(biāo)系的三根軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，可以按地理坐標(biāo)系的三根軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系，可以按“北、東、天北、東、天”、“北、西、天北、西、天”或或“北、東、地北、東、地”順序順序構(gòu)成。構(gòu)成。參考坐標(biāo)系 載體坐標(biāo)系（載體坐標(biāo)系（O

8、XOXb bY Yb bZ Zb b） 與載體固連，其原點(diǎn)與載體的重心重合與載體固連，其原點(diǎn)與載體的重心重合, X, Xb b軸沿載軸沿載體縱軸方向體縱軸方向, Y, Yb b軸沿載體橫軸方向，軸沿載體橫軸方向，Z Zb b軸沿載體豎軸方向。軸沿載體豎軸方向。 Zb實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)要解決的幾個(gè)問題n平臺跟蹤坐標(biāo)系平臺跟蹤坐標(biāo)系n平臺跟蹤什么樣的坐標(biāo)系是平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的首要問題平臺跟蹤什么樣的坐標(biāo)系是平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的首要問題n舒勒擺原理在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用舒勒擺原理在慣導(dǎo)系統(tǒng)中的應(yīng)用n普通地平液體擺做敏感元件受加速度影響較大，需用舒普通地平液體擺做敏感元件受加速度影響較大，需用舒勒擺原理勒擺原理n有害加速

9、度的消除有害加速度的消除n消除由于地球自轉(zhuǎn)、飛機(jī)飛行引起的牽連、哥氏、重力消除由于地球自轉(zhuǎn)、飛機(jī)飛行引起的牽連、哥氏、重力加速度等加速度等n初始對準(zhǔn)問題初始對準(zhǔn)問題n慣導(dǎo)系統(tǒng)要正確而精確的工作，必須精確給定初始條件慣導(dǎo)系統(tǒng)要正確而精確的工作，必須精確給定初始條件n捷聯(lián)慣導(dǎo)解算問題捷聯(lián)慣導(dǎo)解算問題n數(shù)學(xué)平臺代替機(jī)電平臺數(shù)學(xué)平臺代替機(jī)電平臺一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述慣慣導(dǎo)導(dǎo)系系統(tǒng)統(tǒng)的的問問題題理理 論論 問問 題題工工 程程 技技 術(shù)術(shù) 問問 題題理論、方法、指導(dǎo)難度（實(shí)現(xiàn)）基本解決基本解決一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初

10、始對準(zhǔn)概述VaP,一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述初初始始對對準(zhǔn)準(zhǔn)的的要要求求初初始始對對準(zhǔn)準(zhǔn)的的發(fā)發(fā)展展一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述第五章第五章 卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述三、慣導(dǎo)系統(tǒng)的動基座對準(zhǔn)四、慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對準(zhǔn)二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法靜基座初始對準(zhǔn)方案慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程卡爾曼濾波方程的建立計(jì)算機(jī)仿真研究粗對準(zhǔn)與精對準(zhǔn)靜基座初始對準(zhǔn)的可觀測度分析提高靜基座初始對準(zhǔn)精度與速度的方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法

11、二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法gfVVVrrVVfg rrV LLsin0cosLLsin0cosDENDENDENDENDENNENDEDDENDENDENVVVrrrLLLLLLffLLRgffLLRgffLLRgLLLLLLVVVrrr0000cos)(000000cos)(0sin)(000000sin)(000000000cos)2(/2000cos)2(0si

12、n)2(0/00sin)2(000/0001000cos000010cos0sin000001sin002sin00100002sin00001000000sin00010000sin0cos00010000cos00000100000000000000000000000000000000000000000000000000NENEDNENEDLgVLgVLLLL NENEDNENEDVV LNNcosLEELDDsin（.5）（.6）LLLNNsincosLEELLLDDcossinNNDEENRVLRVLtansinEEDENERVLLRVLcostansi

13、nDEENNDRVLRVcos（.7）NEENLLLRVsinsinEDNNELLRVcossinDEEDLLLLRVcoscostan（.8）NEENgVLVsin2（.9）ENNEgVLVsin2NVRL1LRVEsecDENENDENENVVLLRLLLLRLRLgLgLRLRVVL0cos0/tan00coscos0sin0/1000sin0/100sin000sin20000sin2000000sec0000000/100WAXXDENENDENENVVX00000DENVEVNWWWWWW二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)方法二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的

14、靜基座初始對準(zhǔn)方法WAXXsinDL 55555500IFA0000000000000020020NNDDDDggFLNcosENENVV00000000100000000001 HXZ11,1/kkkkkXX)(1/1/kkkkkkkkXHZKXX11/1/)(kTkkkkTkkkkRHPHHPKTkkkTkkkkkkkQPP1111,11,1/TkkkTkkkkkkkKRKHKIPHKIP)()(1/1/)(kkkkkPHKIP或 陀螺常值漂移:0.02/h ； 陀螺隨機(jī)漂移:0.01/h ； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 加速度計(jì)隨機(jī)誤差:50ug； 初始失準(zhǔn)角N，E，D: 1 慣導(dǎo)所

15、處位置的地理緯度： L = 45 X（0）均取為0； P（0）為粗對準(zhǔn)后，位置、速度、姿態(tài)和慣性器件誤差的方差 Q 對應(yīng)陀螺和加速度計(jì)隨機(jī)誤差的方差 ； R 對應(yīng)量測隨機(jī)誤差的方差 ； ,1 ,1 ,1 ,/1 . 0 ,/1 . 0 )0(22222smsmdiagP 22222/02. 0 ,/02. 0 ,/02. 0 ,100 ,100 hhhgg 0 , 0 , 0 ,/01. 0 ,/01. 0 ,/01. 0 ,50 ,50 22222hhhggdiagQ 22/1 . 0 ,/1 . 0 smsmdiagR 收斂速度方面：N和E收斂較快，約20秒，D約5分鐘以上 估計(jì)精度方面：

16、N和E的穩(wěn)態(tài)估計(jì)誤差為20“， D 的穩(wěn)態(tài)估計(jì)誤差為6.48 陀螺漂移的估計(jì)： N在15分鐘以內(nèi)可以估計(jì)出來 D在雖然能勉強(qiáng)估計(jì)出來，但效果很差 E估計(jì)不出來 加速度計(jì)偏置的估計(jì)： x ，y也估計(jì)不出來N和E的估計(jì)精度由E和N決定gENgNED的估計(jì)精度由E決定NEENEDtgLg55555500IFA0000000000000020020NNDDDDggFWAXX HXZENH0000000010000000000110)( MrankTTTTTTHAHAHAHAHM932根據(jù)線性定常系統(tǒng)可觀測性判定準(zhǔn)則： 7)( MrankTTVUVUM0000005. 00 . 10 . 185. 98

17、5. 985. 985. 9利用奇異值分解來求秩，可仔細(xì)分析！ NEEDNVV2ENNDEVV2NEDNEDNNDEDEND由由和和 得得: :gVVgENDEN210)0()0(ENgVVgNEDNE21又有又有: :所以穩(wěn)態(tài)估計(jì)誤差正好為所以穩(wěn)態(tài)估計(jì)誤差正好為: :gENgNE又又ENDNENDEDNNDgVVVg2231由由可可 得得: :0)0(E將將, ,代入代入 : :EDNNDEENDNDND11gVVgENDEN21gVVgNEDNE210)0(ENEENDNEDgEENDND1第五章第五章 卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初

18、始對準(zhǔn)概述二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)四、慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳遞對準(zhǔn)三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法研究各種運(yùn)動對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度的影響 捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)最優(yōu)機(jī)動方法研究捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的H濾波方法線性定常系統(tǒng)分析和研究簡單靜基座對準(zhǔn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)非線性時(shí)變系統(tǒng)不確定隨機(jī)干擾動基座對準(zhǔn)非線性時(shí)變系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度分析方法各種運(yùn)動對系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度分析的影響最優(yōu)機(jī)動方式噪聲統(tǒng)計(jì)模型不準(zhǔn)H濾波方法3.1 3.1 慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法

19、各種運(yùn)動對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度的影響 捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)最優(yōu)機(jī)動方法研究捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的H濾波方法慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述3.2 3.2 動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法線性定常系統(tǒng))()()()()()(tVtHXtZtWtAXtXnMrank)( TTTTTTHAHAHAHAHM932根據(jù)線性定常系統(tǒng)可觀測性判定準(zhǔn)則： nMrank)( 3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法線性時(shí)變隨機(jī)系統(tǒng))()()()()()()()(tVtXtHtZtWtXtAtX如A(t)和H(t)在每個(gè)區(qū)間tj（j=1,2.）內(nèi)可認(rèn)為不變，則線性時(shí)變

20、系統(tǒng)在tj內(nèi)成為線性定常系統(tǒng))()()()()()(tVtXHtZtWtXAtXjjnj,.2 , 13.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法rsQQQrQ21)(其中：其中：11132nkniiiiiiiiFHFHFHHQPWCS的總可觀測矩陣（TOM）1112111121)(nnrnrrnFFFQFQQrQ其中：其中：11132nkniiiiiiiiFHFHFHHQPWCS的提取可觀測矩陣（SOM）3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法 PWCS的可觀測性分析步驟：jsQQQjQ21)(其中：其中：11132nkniiiiiiiiF

21、HFHFHHQ000)()()()()(0,1ssRssUjPIjUjMjQjTRnusIjU 0)(,MXUUYYuss ,0,21其其中中3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法11)(010)(risiFH)F(HF()HF(HrQ3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法 jsQQQjQ)(21其中：其中： 11132nkniiiiiiiiFHFHFHHQ01( )()TriiiiuZX tv3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法 Tz

22、yxyxDENENVVX , GWFXX HXZ zyxVVVZ 載體勻速平直運(yùn)動時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度分析載體勻速平直運(yùn)動時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度分析3.23.2動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法 慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)時(shí)為線性時(shí)變系統(tǒng)，可觀測性分析十分復(fù)雜 PWCS可觀測性分析理論與方法可確定狀態(tài)是否可觀測，無法確定狀態(tài)的可觀測程度 狀態(tài)的可觀測程度才是真正反映卡爾曼濾波中狀態(tài)變量估計(jì)的速度和精度 基于特征值和特征向量的可觀測度分析方法，可以確定狀態(tài)變量的可觀測程度，但是必須在濾波解算之后，計(jì)算量巨大！ 基于奇異值分解的可觀測度分析方法，直接利用可觀測矩陣實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可觀測度分析三

23、、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法研究 捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)最優(yōu)機(jī)動方法研究捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的H濾波方法捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)仿真研究慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 靜基座初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析靜基座初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 三軸搖擺運(yùn)動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析三軸搖擺運(yùn)動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 勻速運(yùn)

24、動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析勻速運(yùn)動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 線加速運(yùn)動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析線加速運(yùn)動初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 三軸搖擺與線加速運(yùn)動組合初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析三軸搖擺與線加速運(yùn)動組合初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 航向變化與線加速運(yùn)動組合初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析航向變化與線加速運(yùn)動組合初始對準(zhǔn)時(shí)狀態(tài)變量可觀測度分析 3.

25、3 3.3 各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響各種運(yùn)動對狀態(tài)可觀測度的影響 靜基座對準(zhǔn)x，x ， y完全不可觀測，z可觀測度很小0.0005 三軸搖擺提高了兩個(gè)水平加計(jì)的可觀測度 勻速運(yùn)動各個(gè)狀態(tài)變量的可觀測度與靜基座基本相同 線加速運(yùn)動可大大提高方位失準(zhǔn)角的可觀測度，不能提高x ， y計(jì)偏置的可觀測度 三軸搖擺與線加速運(yùn)動組合各個(gè)狀態(tài)的可觀測度都得到提高 航向變化與線加速運(yùn)動組合各個(gè)狀態(tài)的可觀測度最高三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法研究各種運(yùn)動對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度的影響 捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的H濾波方法慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述陀螺常值漂

26、移:0.02/h ；加速度計(jì)常值偏置:100ug；航向失準(zhǔn)角: 1水平失準(zhǔn)角: 10飛行速度：150m/s3.4 3.4 動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式3.4 3.4 動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式 捷聯(lián)系統(tǒng)蛇形機(jī)動時(shí)初始對準(zhǔn)狀態(tài)估計(jì)誤差方差曲線捷聯(lián)系統(tǒng)蛇形機(jī)動時(shí)初始對準(zhǔn)狀態(tài)估計(jì)誤差方差曲線 3.4 3.4 動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式 S機(jī)動為動基座對準(zhǔn)的最優(yōu)機(jī)動方式 全部狀態(tài)變量都能得到較好的估計(jì) 估計(jì)精度還與載體S機(jī)動的機(jī)動程度有關(guān) 三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法三、慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)方法捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)的可觀測度分析方法研究各種運(yùn)動

27、對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)變量可觀測度的影響 捷聯(lián)慣導(dǎo)動基座對準(zhǔn)最優(yōu)機(jī)動方法研究慣導(dǎo)系統(tǒng)動基座對準(zhǔn)概述不確定隨機(jī)干擾3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波濾波動基座對準(zhǔn)系統(tǒng)模型和噪聲統(tǒng)計(jì)模型不準(zhǔn)確陀螺常值漂移:0.1./h；加速度計(jì)常值偏置:100ug；三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為20 20 30運(yùn)動軌跡為: 向北平飛3000秒，高度8000米， 機(jī)體速度150米/秒。 3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波濾波常規(guī)間接反饋校正KALMAN濾波器的仿真結(jié)果111)()( TkTkTkkTkkkDkwkwDHHPHPK21 LP

28、Hk kkkkPHKIP11)( )( )()( )1( kxHkyKkxAkxkk *1( ) ( )TTTkkkkkkkPA PAB w k w kB3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波濾波 使用帶遺忘因子的H 濾波器的位置誤差3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波濾波 使用帶遺忘因子的H 濾波器的速度誤差3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波濾波 使用帶遺忘因子的H 濾波器的姿態(tài)誤差3.5 3.5 隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的隨機(jī)擾動下動基座初始對準(zhǔn)的H H 濾波

29、濾波 新的算法具有良好的穩(wěn)定性和跟蹤性； 克服了動基座對準(zhǔn)中的隨機(jī)干擾問題。第五章第五章 卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用卡爾曼濾波在慣性導(dǎo)航初始對準(zhǔn)中的應(yīng)用一、慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對準(zhǔn)概述二、慣導(dǎo)系統(tǒng)的靜基座初始對準(zhǔn)三、慣導(dǎo)系統(tǒng)的動基座對準(zhǔn)不同匹配方案研究運(yùn)動方式對傳遞對準(zhǔn)的影響機(jī)翼彈性振動對傳遞對準(zhǔn)的影響濾波周期對傳遞對準(zhǔn)的影響載體彈性變形對傳遞對準(zhǔn)的影響l傳遞對準(zhǔn)是指載體航行時(shí)，載體上需要對準(zhǔn)的子慣導(dǎo)利用已對準(zhǔn)好的主慣導(dǎo)的信息進(jìn)行初始對準(zhǔn)的一種方法。 l傳遞對準(zhǔn)是一種動基座對準(zhǔn)方法，它除了具有動機(jī)座對準(zhǔn)的一般規(guī)律外， 還具有其固有的特點(diǎn)及性質(zhì) 主慣導(dǎo)桿臂效應(yīng)彈性變形彈性振動子慣導(dǎo)卡爾曼濾波載

30、體運(yùn)動狀態(tài) 校正參數(shù)信息差傳遞對準(zhǔn)的基本原理圖運(yùn)動方式對傳遞對準(zhǔn)的影響機(jī)翼彈性振動對傳遞對準(zhǔn)的影響濾波周期對傳遞對準(zhǔn)的影響傳遞對準(zhǔn)技術(shù)概述載體彈性變形對傳遞對準(zhǔn)的影響計(jì)算參數(shù)計(jì)算參數(shù)匹配法匹配法測量參數(shù)測量參數(shù)匹配法匹配法 vHXZGwFXXzyxbzbybxUNEUNELVVVX1313313133I00TGb62SN0FFF62g3b33333g3b3S0C00CFVX0I0Z,833333VX0 ,I ,0Z622262pVX0 ,Z113H000mxmymxmzmymzHVX0 ,Z113H011012321223222233231331131132332313123332122221

31、222322222123212TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTH000000000313231333233212221232223111211131213TTTTTTTTTTTTTTTTTTHVX0 ,Z59H 陀螺常值漂移:0.5/h，隨機(jī)漂移0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug，隨機(jī)偏置100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 速度觀測量噪聲：0.01米/秒 位置觀測量噪聲：25米 姿態(tài)觀測噪聲：0.01 角速度觀測噪聲：0.15/h匹配方式收斂精度(對準(zhǔn)100秒鐘時(shí)的估計(jì)值)（初始失準(zhǔn)角為60角秒）(但對于位置匹配是指對準(zhǔn)300秒鐘后的精度)收斂速度（單位：秒）

32、（指達(dá)到括號中的收斂精度（單位：角秒）所需的時(shí)間）（1）東向北向天向東向北向天向速度21.820.63303.94.4(36)2.5(36)50(3313.6)位置117.1150.63584.1162.6(360.3)140.5(360.1)速度+位置21.820.63303.94.4(36)2.5(36)50(3313.6)角速度1412.02314.52322.16.2(1440)6.5(2345)7.0(2345)姿態(tài)角69.369.369.613.5(180)13.5(180)13.5(180)姿態(tài)陣51.751.751.96.8(180)6.8(180)6.8(180)匹配方式收斂

33、精度(對準(zhǔn)100秒鐘時(shí)的估計(jì)值)（初始失準(zhǔn)角為60角秒）(但對于位置匹配是指對準(zhǔn)300秒鐘后的精度)收斂速度（單位：秒）（指達(dá)到括號中的收斂精度（單位：角秒）所需的時(shí)間）（1）東向北向天向東向北向天向速度1.920.720.02.9(36.2)32.9(35.8)32.6(36)位置109.3150.6879.0162.3(180.1)280(180)270.4(1079.6)速度+位置1.920.720.02.9(36.2)32.9(35.8)32.6(36)角速度363.3255.9258.042.7(400.1)36.7(360.3)36.8(360.4)姿態(tài)角69.369.369.71

34、3(180.7)13(180.7)13(180.7)姿態(tài)陣51.751.752.041.8(72)41.8(72)41.8(72)匹配方式收斂精度(對準(zhǔn)100秒鐘時(shí)的估計(jì)值)（初始失準(zhǔn)角為60角秒）(但對于位置匹配是指對準(zhǔn)300秒鐘后的精度)收斂速度（單位：秒）（指達(dá)到括號中的收斂精度（單位：角秒）所需的時(shí)間）（1）東向北向天向東向北向天向速度8.2(35.7)4.8(35.6)6.3(35.6)位置81.382.2450.0187.6(180)200(179.9)199.7(720)速度+位置8.2(35.7)4.8(35.6)6.3(35.6)角速度0.

35、(1.8)0.1(2.3)72.5(72)姿態(tài)角66.866.869.513.1(180)13.1(180)13.1(180)姿態(tài)陣48.548.551.941.5(72)41.5(72)41.5(72) 位置匹配方案精度較低，且收斂速度慢，受機(jī)動方式影響不大； 速度匹配精度受速度變化影響，采用機(jī)動方式可提高對準(zhǔn)速度和精度； 姿態(tài)角方案精度不高，速度不快，不能通過機(jī)動方式提高對準(zhǔn)的速度和精度 角速度在S機(jī)動時(shí)對準(zhǔn)精度很高，速度也很快，但這里沒考慮載體彈性振動； 幾種組合匹配方案的對準(zhǔn)精度高，速度快，且對準(zhǔn)的精度和速度隨載體機(jī)動程度增大而提高。不同匹配方案研究機(jī)翼彈性振動對

36、傳遞對準(zhǔn)的影響濾波周期對傳遞對準(zhǔn)的影響傳遞對準(zhǔn)技術(shù)概述載體彈性變形對傳遞對準(zhǔn)的影響 飛行軌跡:0 - 30秒，水平勻速向東直線飛行，飛行速度為200米/秒，30 - 90秒，水平加速直線飛行，加速度為10米/秒2，飛行起始經(jīng)、緯度均為45 陀螺常值漂移:0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 觀測速度噪聲方差：0.01米/秒東向飛行失準(zhǔn)角均方差曲線 東向飛行失準(zhǔn)角估計(jì)曲線 東向加速飛行陀螺儀誤差估計(jì)曲線 東向加速飛行加速度計(jì)誤差估計(jì)曲線 兩個(gè)水平失準(zhǔn)角收斂很快，在20秒內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài) 天向失準(zhǔn)角在加速度變化時(shí)，可觀測度提高，在加速度變化20秒后，也達(dá)到了穩(wěn)態(tài)

37、三個(gè)水平失準(zhǔn)角的協(xié)方差都在0.01左右 水平加速飛行時(shí)，X向加速度計(jì)估計(jì)不準(zhǔn)，其余尚可 飛行軌跡:以一個(gè)10米/秒 2的向心加速度作水平盤旋機(jī)動，從正東方向飛至正南方向，構(gòu)成3/4圓環(huán)。速率200米/秒，飛行起始經(jīng)、緯度均為45 陀螺常值漂移:0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 觀測速度噪聲方差：0.01米/秒水平盤旋失準(zhǔn)角均方差曲線 水平盤旋失準(zhǔn)角估計(jì)曲線 水平盤旋飛行陀螺儀誤差估計(jì)曲線 水平盤旋飛行加速度計(jì)誤差估計(jì)曲線 30秒后失準(zhǔn)角進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。其中，東向失準(zhǔn)角收斂最快，只需20秒即可。三個(gè)水平失準(zhǔn)角的協(xié)方差都在0.01左右 水平盤旋時(shí)，X、Y向陀螺

38、、X、Z向加速度計(jì)估值均不準(zhǔn)確。不宜采用此種對準(zhǔn)方法 飛行軌跡：轉(zhuǎn)彎飛行300秒，0300秒，200米/秒從東向勻速以10米/秒 2的轉(zhuǎn)動加速度轉(zhuǎn)彎，做S機(jī)動至正西方向飛行起始經(jīng)、緯度均為45 陀螺常值漂移:0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 觀測速度噪聲方差：0.01米/秒水平S機(jī)動失準(zhǔn)角均方差曲線 水平S機(jī)動失準(zhǔn)角估計(jì)曲線 水平S機(jī)動飛行陀螺儀誤差估計(jì)曲線 水平S機(jī)動飛行加速度計(jì)誤差估計(jì)曲線 水平S機(jī)動時(shí)，全部狀態(tài)都可以得到較好的估計(jì)估計(jì)的精度與機(jī)動程度有關(guān) 飛行軌跡：0-300秒，水平北向飛行，速度200米/秒；機(jī)翼做振幅30，周期2秒的正弦晃動

39、。其余飛行參數(shù)同東向水平飛行起始經(jīng)、緯度均為45 陀螺常值漂移:0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 觀測速度噪聲方差：0.01米/秒抖翼機(jī)動失準(zhǔn)角均方差曲線 抖翼機(jī)動失準(zhǔn)角估計(jì)曲線 抖翼機(jī)動飛行陀螺儀誤差估計(jì)曲線 抖翼機(jī)動飛行加速度計(jì)誤差估計(jì)曲線 機(jī)翼抖動周期和擺幅對天向失準(zhǔn)角收斂速度影響分析圖象 抖翼機(jī)動傳遞對準(zhǔn)方法中狀態(tài)量不是完全可觀測的；X、Y向加速度計(jì)不可觀測，Z向陀螺儀可觀測度較差天向失準(zhǔn)角雖可觀測，其可觀測度差。因?yàn)閷?zhǔn)時(shí)間長，濾波器建模誤差對傳遞對準(zhǔn)精度影響嚴(yán)重，對準(zhǔn)速度慢且達(dá)不到較理想精度機(jī)翼抖動的幅度和頻率的增大，理論上提高了對準(zhǔn)精度

40、和速度，但是機(jī)翼的高頻晃動使掛于機(jī)翼下的導(dǎo)彈姿態(tài)變化劇烈，使導(dǎo)彈的捷聯(lián)慣導(dǎo)處于惡劣的工作環(huán)境而因捷聯(lián)姿態(tài)矩陣計(jì)算不準(zhǔn)使導(dǎo)航精度嚴(yán)重下降。 不同匹配方案研究運(yùn)動方式對傳遞對準(zhǔn)的影響濾波周期對傳遞對準(zhǔn)的影響傳遞對準(zhǔn)技術(shù)概述載體彈性變形對傳遞對準(zhǔn)的影響彈性振動引起的誤差圓錐誤差尺寸效應(yīng)研究較少對傳遞對準(zhǔn)的精度有重要影響劃船誤差研究很多補(bǔ)償方法成熟)(BABAABrraapxpxxiriraa)()(x名名測名pypyyjrjraa)()(y名名測名pzpzzzkrkraa)()(名名測名根據(jù)運(yùn)動學(xué)原理，剛體上不在一處兩點(diǎn)線加速度的關(guān)系慣導(dǎo)中匹配點(diǎn)處加速度矢量的三個(gè)分量pxxiraa)(x名測名pyyjraa)(y名測名pzzzkraa)(名測名 飛行軌跡:正東直線飛行；初始經(jīng)緯度：45度，45度； 030秒：勻速飛行，v=200米/秒； 3090秒：a=10米/秒2，末速800米/秒 陀螺常值漂移:0.5/h； 加速度計(jì)常值偏置:100ug； 三個(gè)初始失準(zhǔn)角分別為1 1 1 觀測速度噪聲方差：0.01米/秒彈性振動對導(dǎo)彈慣導(dǎo)傳遞對準(zhǔn)的影響 補(bǔ)償彈性振動后導(dǎo)彈慣導(dǎo)傳遞對準(zhǔn)的結(jié)果振動對天向失準(zhǔn)角的估計(jì)精度影響不大 東向和北向水平失準(zhǔn)角的估計(jì)精度分別下降了2.5和0.5 加速度計(jì)和陀螺儀的零位誤差估計(jì)值完全失真