舰载武器捷联惯导速度匹配传递对准技术研究

速度匹配传递对准受船体变形影响小,对准精度高,是舰载武器常用的传递对准方法之一。模拟实船情况,对速度匹配传递对准性能进行了深入仿真研究。研究结果表明：（1）速度匹配传递对准不易受船体变形影响。（2）舰船航向机动有助于提高速度匹配传递对准性能。舰船在匀速直航状态下,水平姿态角对准精度能达到0.4＇,方位姿态角对准精度2′左右。等效北向陀螺漂移的估计精度能达到80%,等效东向陀螺漂移和加速度计零偏无法估计。舰船在转弯状态下武器惯导各误差量估计精度和估计速度都有所提高,等效东向陀螺漂移和加速度计零偏能够估计出来,估计精度达90%以上。（3）基准信息阶跃变化会干扰速度匹配传递对准性能,引起姿态角估计误差。     

传递对准姿态匹配的优化算法

 推导了4种传递对准姿态匹配算法,分析了这4种姿态匹配算法的优缺点,证明并验证了其中的“最优姿态匹配法”在姿态匹配算法中的最优性。首先介绍了传统的“姿态角匹配法”及其改进算法,即“姿态矩阵匹配法”,接着引入了量测失准角的概念,经过理论推导,提出了利用量测失准角进行传递对准姿态匹配的“量测失准角匹配法”。上述3种姿态匹配算法都是在子惯导安装角是小量的条件下推导而获得的,只能适用于安装角是小量的条件,具有一定的局限性。基于此,对“量测失准角匹配法”进行了完善,推导出了一种可在多挂点下使用的现代姿态匹配算法——最优姿态匹配法。从理论上证明了4种姿态匹配算法的相互关系。最后,采用“速度＋姿态”匹配方案进行的传递对准仿真结果表明：4种姿态匹配算法具有相同的估计精度;推导的“最优姿态匹配法”在保证精度的同时,可应用于子惯导安装角是任意角度的情况,具有更广的应用范围。     

空射制导武器捷联惯导系统传递对准技术研究

研究了基于"速度+方位角"匹配的弹载捷联惯导系统的传递对准问题。首先介绍了方位角测量偏置产生的原因,以及与方位失准角的关系。推导了主、子惯导方位失准角的计算方法,并对方位失准角估计进行了仿真试验。在此基础上分析建立了传递对准卡尔曼滤波方程,并对弹载捷联惯导系统的传递对准进行了仿真。仿真结果表明,该"速度+方位角"匹配的捷联惯导系统精度控制在0.05°内,能够满足空射制导武器初始对准精度的要求。     

车载武器惯导系统传递对准技术研究

针对车载武器捷联惯导系统动基座传递对准问题,研究了传递对准的基本原理,建立了地面武器弹载子惯导系统(SINS)动基座速度匹配传递对准的误差模型,并考虑SINS的惯性器件误差。采用了零速校正方法用以提高载车主惯导系统(MINS)的导航精度。根据速度匹配传递对准原理,推导了速度匹配方式下MINS与SINS导航解算速度之差的量测方程。在此基础上,设计了一种传递对准卡尔曼滤波器,并进行了仿真研究。仿真结果表明：SINS速度匹配传递对准在短时间内即可估计出SINS的水平失准角,对准精度可达到0.4＇以内,方位失准角在经过多次零速校正过程中的加减速机动后,对准精度达到0.7＇以内。     

舰载机惯导系统快速传递对准方法建模与仿真

为解决舰载机惯导系统在大方位失准角条件下的快速传递对准问题,提出了一种新的线性化方法.通过舰船坐标系与舰载机标称坐标系之间的方向余弦矩阵,将舰船坐标系与舰载机实际坐标系之间的大方位失准角问题,转化为舰载机标称坐标系与舰载机实际坐标系之间的小方位失准角问题,建立了舰载机传递对准的线性化数学模型,采用"速度+姿态"匹配法对传递对准滤波器进行仿真.结果表明在20 s时间以内曲线即收敛,使得水平失准角误差和方位失准角误差在1以内,满足了对准速度和精度的要求,克服了传统方法对准时间较长的缺点.     

主子惯导坐标系失调动态估计补偿方法研究

本文研究了船体静态变形角、动态变形角引起的主子惯导坐标系失调角动态补偿方法。研究表明：速度加姿态匹配能够在线估计补偿船体静态变形引起的主子惯导坐标系失调角,角速度匹配传递对准方法能够在线估计补偿船体静态变形、动态变形引起的主子惯导坐标系失调角,两种匹配传递对准方法适用条件均受海况环境影响。     

传递对准的一种方位估计方法

以往的速度匹配方法通常水平失准角估计精度很高,对准时间快而方位失准角估计不理想,为了克服这个问题,本文推导了一种新的方位估计方法。首先由新的速度匹配方法估计出两个水平失准角,然后把这两个失准角信息当做已知量,计算出了方位失准角。并且根据理论推导进行了仿真,结果表明,该方法估计方位失准角精度高,有很好的实用性。     

一种速度匹配动基座传递对准的方法

介绍了一种速度匹配的动基座传递对准的方法。主子惯导均采用平台系统的指北导航方式,推导了平台对准误差方程,利用主子惯导的速度差信息构建控制回路对子惯导平台的水平失准角进行反馈修正,同时用卡尔曼滤波器估计出方位失准角,从而实现子惯导的初始对准。建立了相应的模型,对该传递对准方法进行了仿真验证,在仿真时考虑了杆臂效应的影响,加入了杆臂效应的算法补偿机制。仿真结果数据跟理论推导基本吻合,验证了方法的可行性。     

机载导弹捷联惯导系统快速传递对准方法研究

针对速度、位置匹配方法的局限性，推导了捷联惯导速度加姿态角匹配传递对准模型，进行了机翼的挠性分析；设计了以滚动机动为主的WingRock和PopUp两种机动方式，并进行了速度加姿态角匹配对准仿真。仿真结果表明：采用所述方法，可将传递对准过程由几分钟降低到几秒钟，以毫弧度量级的精度进行对准。     

无杆臂误差快速传递对准方法

机载或舰载武器系统惯性导航系统动基座对准的首选方案就是传递对准,速度匹配传递对准因为其较好的水平失准角可观测性以及线性量测模型得到了广泛的应用。但当载体存在角运动时,速度匹配传递对准必须对杆臂误差进行补偿,由于变形的存在,使得杆臂误差的准确补偿存在较大的困难。针对这一问题,研究了一种不需要进行杆臂误差补偿的快速传递对准方案,能够在杆臂误差较大时,以较快的速度获得较高的失准角估计精度。计算机仿真结果验证了理论分析的正确性。     

考虑输入饱和与姿态角速度受限的航天器姿态抗退绕控制

 针对航天器姿态控制过程中同时存在输入饱和与姿态角速度受限的问题,提出了一种新型的姿态控制设计方法。该方法在保证系统渐近稳定的前提下,能够显式地给出输入力矩和姿态角速度的最大幅值,并通过引入一个时变锐度参数来增强系统对外部干扰的抑制能力;在此基础上,进一步考虑了由于四元数的冗余性所导致的退绕问题,设计了一组新的姿态偏差函数和偏差向量,使得控制器在满足上述约束的同时还具有抗退绕的优点。仿真结果表明,所提算法能够同时满足输入饱和与姿态角速度受限的约束,并且在较大外部干扰的情况下表现出了很强的鲁棒性,同时成功地规避了退绕现象。该算法为存在多重约束的航天器姿态控制问题提供了一个新的思路和解决方案,具有很好的实际应用价值。     

Coordinated Multiple Spacecraft Attitude Control with Communication Time Delays and Uncertainties

In this paper, we consider the coordinated attitude control problem of spacecraft formation with communication delays, model and disturbance uncertainties, and propose novel synchronized control schemes. Since the attitude motion is essential in non-Euclidean space, thus, unlike the existing designs which describe the delayed relative attitude via linear algorithm, we treat the attitude error and the local relative attitude on the nonlinear manifold-Lie group, and attempt to obtain coupling attitude information by the natural quaternion multiplication. Our main focus is to address two problems:1) Propose a coordinated attitude controller to achieve the synchronized attitude maneuver, i.e., synchronize multiple spacecraft attitudes and track a time-varying desired attitude; 2) With known model information, we achieve the synchronized attitude maneuver with disturbances under angular velocity constraints. Especially, if the formation does not have any uncertainties, the designer can simply set the controller via an appropriate choice of control gains to avoid system actuator saturation. Our controllers are proposed based on the Lyapunov-Krasovskii method and simulation of a spacecraft formation is conducted to demonstrate the effectiveness of theoretical results.     

一种应用于弹道导弹控制的朗伯特导引方法

介绍了一种用于与弹道目标会合的三自由度拦截弹仿真,其导引方法可以使拦截弹与弹道目标的位置和速度相匹配,在会合后能够跟随目标运动。该方法采用朗伯特导引,控制在主动段飞行的导弹,使它的弹道与弹道目标的弹道重合。在与弹道目标会合之前,预先设定了一个短暂的末修段,以使拦截弹的速度与弹道目标的速度相匹配。     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

主惯导速度误差短周期波动对子惯导传递对准影响分析

随着激光陀螺技术的发展,旋转调制式激光陀螺惯性导航系统逐渐成为舰载主惯导系统,舰载机、舰载武器系统需要旋转调制式激光惯导系统提供的姿态、速度和位置信息进行对准,即主子惯导的传递对准。由于旋转调制式系统中的姿态、速度和位置具有随旋转的短周期波动问题,势必会影响对准时间较短的子惯导对准精度。为了保证传递对准的快速性,一般采用速度匹配方法。定量分析了主子惯导传递对准过程中主惯导速度误差短周期波动对子惯导系统对准精度的影响,首先进行了数字仿真,之后利用双轴激光陀螺惯导、纯捷联光纤陀螺惯导数据进行了半实物仿真,验证了主惯导速度误差的一次项系数与子惯导初始对准水平姿态误差呈线性关系,二次项系数与子惯导初始对准航向误差呈线性关系。     

晃动基座捷联惯导系统初始对准迭代方法

由于受风力或发动机启动等因素的影响,惯导系统载体(如导弹、飞机、舰船和车辆)经常遇到低频晃动的情况。晃动干扰使得陀螺测量到的地球自转角速度信噪比大幅下降,从而导致常用的对准方法无法满足高精度初始对准要求。针对这一问题,提出了一种基于晃动基座的捷联惯导系统迭代初始对准方法。本方法由惯性导航计算出水平速度误差,利用最小二乘法估算出水平角速度误差、姿态误差和航向误差,然后进行迭代计算,从而算出导航初始时刻的姿态和航向。车载(发动机启动)试验结果表明,该算法既提高了晃动基座条件下的初始对准精度,航向角误差的方差采用静态对准时为0.39244°,摇摆对准为0.03331°,本文采用的迭代对准为0.00883°,缩短了对准时间,迭代对准2min的航向角精度等效于静态对准和摇摆对准5min的精度。     

传递对准中载舰挠曲变形和杆臂效应一体化建模与仿真

 针对舰载机惯导系统大方位失准角传递对准的非线性问题,根据舰载机在载舰上的实际停放情况,引入舰载机标称坐标系,并综合考虑载舰挠曲变形和杆臂效应的影响,建立挠曲变形和杆臂效应加速度一体化模型,完善舰载机惯导系统大方位失准角传递对准线性化模型。采用“速度+角速度”组合匹配算法的滤波模型,对固定安装失准角和挠曲变形角进行了估计。结果表明,该模型在舰载机大方位失准角传递对准时可以满足对准精度和时间的要求。     

姿态航向参考系统中磁罗盘安装误差补偿研究

在飞行状态下,姿态航向参考系统的航向由磁航姿计算机的姿态和磁罗盘的磁通量算得,由于磁罗盘和航姿计算机在机上有安装误差,使得算出的航向有一定偏差,针对这一问题,文章提出了一种补偿机上磁罗盘安装误差的方法。机上试验表明:该方法补偿了磁罗盘在机上的安装误差,可有效提高磁航向的精度。     

舰载武器惯导传递对准技术分析

舰船惯性大,加之受海水阻力和风力的影响,其运动态势较空中平台和陆地平台特殊,因此舰载武器系统惯导传递对准特性与机载、车载武器系统的惯导传递对准特性不同.通过对舰载武器系统惯导传递对准典型匹配方式的对比研究,结合舰船的运动特性及动态干扰特性,给出舰载武器系统惯导传递对准匹配方式选择原则.