[發(fā)明專利]一種基于自適應(yīng)互補(bǔ)濾波的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)外水平阻尼方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710837742.3
• 申請(qǐng)日: 2017-09-18
• 公開（公告）號(hào): CN107941216A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張勇剛;盧曼曼;李寧;李智超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航海捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自適應(yīng)互補(bǔ)濾波的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng) 的外水平阻尼方法。

背景技術(shù)

無阻尼慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，運(yùn)載體不受加速度的干擾，但其含有三種 周期性振蕩誤差，即舒勒周期振蕩、傅科周期振蕩和地球周期振蕩。對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等此類加 速度和速度很大，同時(shí)使用時(shí)間又很短的系統(tǒng)，誤差積累并不嚴(yán)重，但是對(duì)于使用時(shí)間較長， 加速度又不太大的艦船來說，產(chǎn)生的誤差是振蕩的，并且隨時(shí)間積累，無阻尼慣導(dǎo)系統(tǒng)無法 滿足要求，必須對(duì)振蕩誤差進(jìn)行阻尼。慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS的組合式導(dǎo)航系統(tǒng)可以補(bǔ)償發(fā)散的慣 導(dǎo)系統(tǒng)誤差，但GPS易受干擾，且在水下無法進(jìn)行定位。因此在無法獲得位置信息的情況下， 只能依靠多普勒提供的速度信息進(jìn)行外水平阻尼來抑制舒勒振蕩。

目前，學(xué)者們正努力尋求有效的外水平阻尼算法。傳統(tǒng)的外水平阻尼網(wǎng)絡(luò)能夠很好的將 舒勒振蕩誤差阻尼下來，但是在阻尼切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)誤差，且外參考速度誤差越大，產(chǎn)生 的超調(diào)越大。此外，其參數(shù)是通過逐步嘗試法而得到的，不具有理論推導(dǎo)依據(jù)。因此文獻(xiàn)《基 于Kalman濾波技術(shù)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)水平阻尼算法》(中國慣性技術(shù)學(xué) 報(bào),2013,21(3):285-288)立足現(xiàn)代控制理論，提出一種基于卡爾曼濾波技術(shù)的水平阻尼算法， 但卡爾曼濾波算法對(duì)初始值的選取以及過程噪聲的協(xié)方差很敏感，在實(shí)際應(yīng)用中，無法獲得 準(zhǔn)確的加速度計(jì)誤差與陀螺漂移。文獻(xiàn)《基于互補(bǔ)濾波的慣導(dǎo)系統(tǒng)水平阻尼網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)》(中 國慣性技術(shù)學(xué),2012,20(2)157-161)提出了將具有優(yōu)良高頻特性的常速度網(wǎng)絡(luò)和低頻特性的 相位滯后超前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互補(bǔ)濾波匹配，但當(dāng)多普勒測(cè)得的參考外速度誤差隨時(shí)間變化時(shí)，固 定的阻尼參數(shù)并不能起到良好阻尼效果，甚至造成發(fā)散現(xiàn)象，造成了一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，本發(fā)明選取具有優(yōu)良高頻特性的常速度網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)良 低頻特性的相位滯后-超前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互補(bǔ)匹配得到同時(shí)具有高低頻特性的高階網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)實(shí) 時(shí)變化的多普勒測(cè)得的外參考速度誤差，固定其中一個(gè)阻尼參數(shù)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)高階互補(bǔ)濾波 阻尼網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)阻尼系數(shù)，將帶有此系數(shù)的阻尼網(wǎng)絡(luò)加入到慣導(dǎo)解算的控制方程中，進(jìn)而 消除掉速度誤差、位置誤差和姿態(tài)角誤差中的射了振蕩以及阻尼轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的超調(diào)問題，以 達(dá)到自適應(yīng)多變的外參考速度誤差和保證穩(wěn)定性的目的。

本發(fā)明包括以下幾個(gè)步驟：

步驟一：基于互補(bǔ)濾波的阻尼網(wǎng)絡(luò)選取方法如下，由于阻尼網(wǎng)絡(luò)需要具有使得常數(shù)的外 參考速度誤差對(duì)慣性指示位置誤差和速度誤差的貢獻(xiàn)為0，而加速度計(jì)測(cè)量誤差和陀螺儀漂 移誤差的低頻分量影響保持與無阻尼狀態(tài)的情況不變，有效過濾外參考速度和慣性儀表輸出 的高頻干擾信號(hào)得功能，且保證舒勒阻尼回路的閉環(huán)特征方程的特征根具有負(fù)實(shí)部，因此選 卻的阻尼網(wǎng)絡(luò)需要具有良好的高頻和低頻特性；由于常速度網(wǎng)絡(luò)具有抑制高頻參考速度誤差 的特性，而相位滯后-超前網(wǎng)絡(luò)對(duì)陀螺儀漂移加速度計(jì)誤差具有高頻衰減特性，二者的互補(bǔ)性 很強(qiáng)，因此考慮將兩種網(wǎng)絡(luò)組合成互補(bǔ)濾波器，常速度網(wǎng)絡(luò)Q_A(s)和相位滯后-超前網(wǎng)絡(luò)Q_B(s) 為：

即保持常速度網(wǎng)絡(luò)的高頻特性和相位滯后-超前網(wǎng)絡(luò)的低頻特性，互補(bǔ)匹配后的高階網(wǎng)絡(luò) 為：

該網(wǎng)絡(luò)對(duì)高低頻參考速度誤差的頻率特性為均不低于40dB/10deg，且對(duì)于加速度計(jì)誤差 和陀螺漂移來說，低頻幾乎無衰減，即地球周期振蕩依然存在；但高頻均具有二階以上的衰 減特性，具有明顯的優(yōu)勢(shì)；

步驟二：在慣導(dǎo)系統(tǒng)中加入自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，多普勒計(jì)程儀測(cè)得的外參考速度和慣導(dǎo)系統(tǒng)的 速度之差為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸入量，阻尼網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的輸出量，自適應(yīng)阻尼系統(tǒng) 通過自適應(yīng)機(jī)構(gòu)根據(jù)外速度誤差實(shí)時(shí)的調(diào)整阻尼網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；

步驟三：選取速度誤差作為自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)，即：

其中，δv_x,δv_y分別為東向和北向系統(tǒng)速度與外參考速度之差；由捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳播特 性可知，系統(tǒng)的速度和外參考速度之差對(duì)阻尼參數(shù)的影響很大；