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水下运载器惯性测量事后状态估计方法研究

作　者: 黎娜
导　师: 刘卫东
学　校: 西北工业大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 水下运载器惯性测量状态估计四元数法旋转矢量法子样算法姿态算法卡尔曼滤波卡尔曼平滑陀螺随机漂移小波分析时间序列
分类号: TJ762.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在现代海战中，巡航导弹对潜艇是一次革命，它使潜艇既具备了远程反舰与反潜作战能力，也具有了对陆上目标的攻击能力。巡航导弹是借助于鱼雷管，靠水下运载器送出水面攻击目标。出于弹器分离、提高导弹命中概率及发射艇的安全性等需要，对运载器在出水时的运动速度、姿态角及位置等参数又都有严格的要求。为了有效地、多快好省地解决潜射导弹运载器上述的关键技术问题，需要在多次实航试验中，反复试验，对控制参数不断调整才能达到预期效果。本文提出在实航试验时，采用惯性测量技术，即用惯性测量器件IMU对水下运载器从离开发射管到出水的角速度和加速度信息进行测量和储存，然后进行事后处理，估计出运载器运动状态(姿态、速度、位置)的方案，从而为水下运载器的弹道评价和控制系统改善提供准确依据。本文系统地研究了水下运载器惯性测量事后状态估计的方法以及提高估计精度中的一些关键技术。本文的主要研究工作包括： 1．依据惯性测量的基本原理，研究了水下运载器惯性测量事后状态估计的原理和方法，重点介绍了姿态矩阵的求解算法。 2．从旋转矢量的概念出发，推导了姿态算法的精度准则，在圆锥运动作为输入和陀螺输出角速率条件下，推导了旋转矢量二子样、三子样算法和传统四元数算法的圆锥误差公式，提出了改进二子样算法，对各姿态算法进行了比较，并对各姿态算法的计算量问题进行了分析。 3．在陀螺输出角速率条件下，以圆锥误差为精度准则，对各姿态算法进行了数字仿真，对各算法的精度进行比较，仿真结果与理论结果一致。 4．为了估计精确的初始姿态阵，研究了基于多普勒速度声纳(DVS)的水下运载器事后传递对准技术。建立了基于DVS的运载器事后传递对准的状态空间模型；设计了基于DVS的运载器事后传递对准的卡尔曼滤波器和固定区间平滑滤波器，并进行了数字仿真分析。 5．利用小波的多分辨率特性去除陀螺随机漂移信号的趋势项，在此基础上采用时间序列分析法建立了某型陀螺随机漂移数学模型，设计了陀螺随机漂移的卡尔曼滤波器，并进行了数字仿真分析。 6．设计了水下运载器事后状态估计的仿真软件。采用MATLAB和Visual C++混合编程的方法，由MATLAB实现运载器事后状态估计的计算，由Visual C++实

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 研究背景  10-11
  1.2 国内外发展动态  11-13
    1.2.1 测量方法的选择  11-12
    1.2.2 惯性测量的重要地位  12-13
    1.2.3 惯性测量的发展趋势  13
  1.3 论文研究内容  13-15
第二章惯性测量事后状态估计的原理和方法  15-35
  2.1 引言  15
  2.2 坐标系及其转换关系  15-17
    2.2.1 坐标系的定义  15-16
    2.2.2 各坐标系之间的转换关系  16-17
  2.3 惯性测量事后状态估计的原理  17-18
  2.4 姿态矩阵解算方法的讨论  18-29
    2.4.1 欧拉角法  18-19
    2.4.2 方向余弦法  19-20
    2.4.3 四元数法  20-23
    2.4.4 等效旋转矢量法  23-28
    2.4.5.姿态算法的比较  28-29
  2.5 水下运载器惯性测量事后状态估计方法  29-35
    2.5.1 速度的计算  30-32
    2.5.2 位置矩阵及位置的计算  32
    2.5.3 位置速率的计算  32-33
    2.5.4 姿态的计算  33
    2.5.5 深度及位移的计算  33-34
    2.5.6 估计中不同迭代周期的划分  34-35
第三章高精度捷联航姿算法研究  35-54
  3.1 引言  35
  3.2 圆锥运动  35-37
  3.3 精度准则  37-38
  3.4 四元数算法及其圆锥误差表达式  38-41
    3.4.1 四元数法  38-39
    3.4.2 陀螺输出角速率时的圆锥误差表达式  39-41
  3.5 等效旋转矢量法及其圆锥误差表达式  41-45
    3.5.1 陀螺输出角增量时的圆锥误差  41-42
    3.5.2 陀螺输出角速率时的圆锥误差  42-44
    3.5.3 改进二子样旋转矢量法及其圆锥误差  44-45
  3.6 算法的比较  45-53
    3.6.1 算法圆锥误差的比较  45-46
    3.6.2 算法计算量的比较  46
    3.6.3 算法仿真  46-53
  3.7 结论  53-54
第四章高精度事后传递对准方法研究  54-67
  4.1 引言  54-55
  4.2 水下运载器事后状态估计系统的误差模型  55-57
  4.3 水下运载器事后传递初始对准的状态空间模型  57-59
    4.3.1 事后传递初始对准的量测方程和量测向量的构造  57-58
    4.3.2 事后传递初始对准的状态空间模型  58-59
  4.4 固定区间平滑算法  59-62
    4.4.1 最优线性平滑的物理意义  59-60
    4.4.2 RTS固定区间平滑算法  60-62
  4.5 水下运载器事后传递对准的仿真分析  62-65
    4.5.1 事后传递对准仿真结构图  62
    4.5.2 仿真研究  62-65
  4.6 结论  65-67
第五章陀螺随机漂移建模及滤波  67-84
  5.2 信号的多尺度小波分析  67-68
    5.2.1 小波变换基础  67
    5.2.2 小波的多分辨分析  67-68
  5.3 建立陀螺随机漂移误差模型的原理和步骤  68-76
    5.3.1 数据的采集  69
    5.3.2 陀螺随机漂移数据的统计检验  69-71
    5.3.3 陀螺漂移信号的预处理  71
    5.3.4 模型的选取  71-73
    5.3.5 模型参数的估计  73-75
    5.3.6 模型的适用性检验  75-76
  5.4 基于小波变换的陀螺漂移数据建模  76-80
    5.4.1 陀螺漂移的采集  76
    5.4.2 陀螺漂移的平稳性分析与预处理  76-78
    5.4.3 模型形式的选取  78
    5.4.4 陀螺随机漂移模型的建立  78-79
    5.4.5 模型的适用性检验  79-80
  5.5 陀螺漂移的数据滤波  80-83
  5.6 结论  83-84
第六章水下运载器惯性测量事后状态估计仿真软件设计  84-88
  6.1 引言  84
  6.2 工程设计软件MATLAB特点分析  84-85
  6.3 MATLAB与Visual C++的完美结合  85-86
  6.4 仿真软件界面设计  86
  6.5 仿真算例及分析  86-88
第七章全文总结  88-90
  7.1 总结  88-89
  7.2 论文的后续工作  89-90
参考文献  90-93
攻读硕士研究生期间发表的论文  93-94
致谢  94-95
西北工业大学学位论文知识产权声明书  95
西北工业大学学位论文原创性声明  95

水下运载器惯性测量事后状态估计方法研究

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