大失准角传递对准模型及其并行集员估计算法研究

It is the key issues of fast transfer alignment system design with movement base and large misalignment angles in INS that''s its accurate nonlinear error modelling and its high-precision nonlinear optimal estimation algorithm. Based on the technical requirements of transfer alignment operation,considerating the effect of transfer alignment system error factors and IMU''s error parameters to the performance of transfer alignment the project develops some research contents as follows: studing on the Lever-arm error effect between MINS and SINS and its optimal compensation calculation algorithm, and the buckling movement effect of carrier and its error uncertainty compensation modelling and its interval analysis algorithm, and the interval analysis algorithm of high-order remainder terms in linearization of nonlinear system model，and the delay effect error of data transmission and its error modelling and optimal compensation algorithm between MINS and SINS, with quaternion and Rodriguez parameters developing the high-precision transfer alignment error model with movement base and large misalignment angles, with the advantage of UBB noise assumption and the higher calculation efficiency of parallel algorithm,it researches the parallel algorithm of ellipsoidal set-membership estimation theory and its interval algorithm, and with modern functional analysis methods to study the numerical calculation stablity of above developped new ellipsoidal set-membership estimation algorithms. the aim of this project research is to inaugurate new avenues of the new optimal compensation algorithms of transfer alignment error and the new parallel algorithms of optimal estimation calculation, and new-type transfer alignment modelling algorithms.

研究精确快速传递对准非线性误差系统以及高精度非线性最优估计算法是惯性导航系统大角度情形下动基座快速传递对准系统设计关键性问题。本项目针对传递对准操作技术要求,从传递对准系统误差因素和惯性组件误差参数对传递对准性能影响等方面开展如下研究内容:研究主子惯性导航系统杆臂误差及其计算补偿优化算法，研究载体运动挠曲效应误差不确定性补偿建模及其区间分析算法和非线性系统线性化处理的高阶误差项区间分析算法，研究主子惯性导航系统间的数据传输延迟效应误差建模及其优化补偿算法，利用四元数、Rodriguez参数特性获取精确大角度失准角动基座快速传递对准误差模型系统，利用UBB噪声假设计算优势和高效并行计算效率,研究椭球集员估计理论的并行算法和区间分析算法，利用泛函分析理论研究算法的数值稳定性。开辟传递对准系统误差优化补偿计算方法、非线性最优估计并行计算算法以及新型传递对准模型算法方面研究的新途经。

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）导航精度由其初始对准精度和导航系统惯性敏感器件精度决定，在初始对准和导航计算过程中采用最优估计算法来提高INS系统的导航精度，利用最优估计方法可以不增加系统成本获得较好导航精度。新型动基座匹配对准中传递对准技术在载体运动情况下利用高精度的主基准惯性导航系统导航参数或其他设备提供的速度、位置等参数信息与子惯导系统相应参数进行匹配计算，应用最优估计算法估算子惯导系统失准角等信息，实现参数初始化操作，相应传递对准算法要求能够快速精确估算子惯导系统参数信息，在此过程中关键问题是建立合适的传递对准模型，利用最优估计算法对系统状态参数展开估计计算。.本项目针对导航系统大失准角情形的动基座快速传递对准性能要求，着重于惯性导航系统速度全姿态匹配传递对准非线性误差模型建模研究和椭球集员估计理论的并行计算算法中关键技术展开了深入研究，利用乘性四元数、加性四元数以及修正罗德里格参数建立大失准角传递对准模型，并且从理论上证明了四元数与罗德里格参数等类型的等效倾角间的统一性问题，开辟了惯性导航系统建模研究的新途径与新方法，并且在四元数加权均值计算中引入Pade逼近方法，理论证明2阶Pade逼近计算式可以获得较好的四元数保范性计算效能。通过对集员最优滤波理论研究，应用Sterling插值多项式法设计新型的扩展集员非线性最优滤波算法，并且在惯导仿真实验平台进行姿态仿真研究表明该新型非线性集员滤波算法具有较高计算效率，计算稳定性明显优于传统的基于Tayler级数扩展算法，计算精度获得进一步改善。依据SINS系统的加速度计和陀螺仪数据特点以及模型系统的矩阵运算规律，利用法捷耶夫原理开展SINS系统模型状态参数的并行计算算法设计，获得了并行椭球集员滤波算法，通过实验平台仿真计算，该并行椭球集员扩展非线性最优滤波算法的计算效能，计算稳定性得到有效提高，并且计算精度明显优于常规的串行计算方法。项目研究成果将为惯性导航系统动基座初始对准技术水平的提高提供支持，项目研究成果具有重要的理论意义和应用参考价值。