潜艇冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航算法研究

The development of submarines has always been a strategic problem of great concern for the navy. As the center information source of the submarine weapon system, the inertial navigation system (INS) is an important guarantee to perform combat missions and to enhance survivability. In order to improve the performance of the submarine INS, this project aims to carry out the research on the monitoring navigation algorithm based the on cold atom interference gyroscope and the fiber optical gyroscope, forming an automatic, high-precision and high-reliability INS work program which is suitable for submarines. On the basis of the mechanism study of the cold atom interference gyroscope and the error characteristics, a cold interference gyroscope/fiber optical gyroscope monitoring and navigation program is design by appropriately configured. A nonlinear and robust algorithm based on RISRMHE method is proposed to solve the nonlinearity and uncertainty, improving the submarine’s navigation accuracy. A fault-tolerant control algorithm based on RBFNN method is presented to enhance the reliability and stability of the monitoring system. Finally, utilizing the numerical simulations and the semi-physical simulations, carry out the verification of the designed monitoring system and proposed navigation algorithms in this program.

潜艇的发展一直是各国海军极为关注的战略问题。而作为潜艇武器系统的中心信息源，惯性导航系统是潜艇执行作战任务、提升自我生存能力的重要保障。为提高潜艇惯性导航系统的性能，本项目拟开展冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统算法研究，最终形成一种潜艇用全自主、高精度、高可靠性的惯性导航系统工作方案。在深入开展冷原子干涉陀螺仪噪声和误差特性机理研究的基础上，分析冷原子干涉陀螺仪误差传播特性，结合冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的技术特点，对其进行合理配置，设计一种冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统工作方案；提出基于RISRMHE的非线性鲁棒滤波算法，解决监控导航系统的非线性和不确定性问题，提高潜艇惯导系统的精度；提出基于RBFNN的容错控制算法，消除监控系统传感器故障引起的系统误差，提高监控导航系统的可靠性；搭建实验室仿真环境和半实物仿真环境，开展对项目所提监控导航工作方案和监控导航算法的验证。

潜艇的发展一直是各国海军极为关注的战略问题。而作为潜艇武器系统的中心信息源，惯性导航系统是潜艇执行作战任务、提升自我生存能力的重要保障。为提高潜艇惯性导航系统的性能，本项目开展了冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统算法研究，具体研究从以下几方面开展：. （1）潜艇冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航机理研究. 项目对冷原子干涉陀螺仪的误差特性进行了深入分析，利用Allan方差和灵敏度函数对冷原子干涉陀螺仪的噪声进行了解耦和辨识，并深入研究了其误差传播特性；在此基础上，结合冷原子干涉陀螺仪和成熟的光纤陀螺仪等惯性器件的技术特点，优势互补，提出了一种基于冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统工作方案。. （2）高精度冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航算法研究. 项目提出了一种改进的冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统滤波算法，算法采用随机球面径向积分准则来近似强非线性系统的模型函数，利用滚动时域估计和序列二次规划来抑制系统噪声的不确定性影响，从而提高了系统的状态估计精度；同时，为提高远程、长航时工作环境下监控系统的鲁棒性，本项目提出了一种基于径向基函数神经网络的容错控制算法。. （3）潜艇冷原子干涉陀螺仪/光纤陀螺仪监控导航系统试验验证. 为验证项目所提监控导航系统工作方案的可行性与系统的性能，项目开展了计算机仿真试验验证和半实物仿真试验验证的研究。首先开展计算机仿真试验验证，在深入分析冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪误差特性的基础上，利用计算机模拟出潜艇在系泊、摇摆和航行等工作状态下两种陀螺仪的输出数据，然后在计算机上对本项目中所提监控导航工作方案的可行性与性能进行了验证；其次开展半实物仿真试验验证，在系泊状态下同步采集冷原子干涉陀螺仪和光纤陀螺仪的输出数据，利用计算机对采集到的数据进行处理和分析，从而验证了本项目所提监控导航工作方案的可行性和监控系统算法的性能。