基于强跟踪CKF滤波方法的光纤陀螺捷联惯导系统在线标定技术研究

The lengthy and accurate capability of autonomous navigation and positioning for ship navigation system is an important guarantee for ships remote cruise and escort.The subject is proposed the online calibration technology for the single-axis rotation FOG SINS on board ship. We established the output errors model for the inertial devices and the error equations for the single-axis rotation FOG SINS under dynamic conditions, then qualitative analyzed the effect of the inertial device parameter errors on the INS navigation's accuracy. We proposed the strong tracking CKF method which can overcome the disadvantage of the systme models unsureness and the noises indeterminism. Using the combined method of Lie derivative and matrix condition number to analyze the observability of the error parameters to be calibrated, and selected the optimal incentives and design ships calibration path to raise its considerable. Selected the reasonable state variables and observed variables and put forward to combine the external reference information and inertial navigation systems information to estimate the parameters by the strong tracking CKF, and then compensated the errors to achieve inertial navigation system online calibration with improving the accuracy of navigation. In this study, we can improve the navigation accuracy and practicability. The calibration cycle is short, the method is simple and the method can reduce cost. The research can improve the accuracy and practicality of FOG SINS, save the cost of calibration effectively and protect ships escorting and escorting.It has important defense significance and application value.

舰船导航系统长时间、高精度的自主导航定位能力是舰船远程巡护航的重要保障。本课题提出基于单轴旋转方案的舰载光纤陀螺捷联惯导系统在线标定技术。在动态条件下，建立惯性器件的输出误差模型和基于单轴旋转方案的光纤陀螺捷联惯导系统的误差方程，定性地分析惯性器件参数误差对惯导系统导航精度的影响。提出一种能够克服系统模型不确定、噪声不可预测等缺点的强跟踪CKF滤波方法。研究采用李导数和矩阵条件数的方法分析待标定误差参数的可观测性，进而选择最优激励方式设计舰船的标定路径，提高其可观测度。选择合理的状态变量和观测变量，在外部设备提供高精度位置、速度、姿态等参考信息的情况下，通过强跟踪CKF滤波方法将外部参考信息与惯导系统信息相融合进行参数估计、补偿误差以实现惯导系统在线标定。本研究对于提高光纤陀螺捷联惯导系统的精度和实用性，有效节约标定成本，保障舰船巡护航，有着重要的国防意义和应用价值。

面对我国军事领域的发展现状和未来长期发展规划，针对航海领域对惯导系统导航精度、可靠性和实时性的迫切需求，本项目针对在外部设备提供高精度参考信息的情况下基于单轴旋转方案的舰用光纤陀螺捷联惯导系统的在线标定技术问题，从以下几个角度入手，展开研究。.（1）分析了强跟踪滤波算法（STF）的运行机理，指出由于对量测一步预测协方差阵近似不够准确，使得STF算法以较大概率产生渐消因子，导致对滤波增益过调节，最终产生对状态估计不够平滑，需要凭经验加入弱化因子来解决这一问题，为此提出了改进的强跟踪滤波算法，避免了靠经验选取弱化因子的麻烦。同时推导了统一的非线性系统强跟踪滤波算法递推公式，只需要用不同的策略近似其中的高斯积分，便可得到不同的非线性强跟踪滤波算法。再利用三阶球面-相径容积规则近似高斯积分，进而提出了强跟踪CKF算法，并针对一类特殊非线性系统，提出了估计效果更佳的多渐消因子CKF算法，该算法能产生多个渐消因子，以不同的速率对各数据通道渐消，从而达到更好的估计效果。.（2）结合系统误差方程和惯性器件误差模型建立单轴旋转式光纤陀螺惯性导航系统非线性误差模型。先根据误差方程分析了系统各误差参数的可观测性。为了更加直观的对旋转方案是否能够改善各个状态变量的可观测程度进行评价，使用基于SVD理论的可观测度分析方法，分别对静止状态和IMU绕旋转轴转动的系统可观测度进行分析，以惯性器件误差激励效果最佳为目的，提出一种“四位置八次序”的标定路径。.（3）将“四位置八次序”标定路径与强跟踪CKF非线性滤波算法相结合，提出一种针对舰船的特殊使用环境的单轴旋转惯导系统在线标定方法。在实验室环境下搭建单轴旋转惯导系统原理样机，并对所提方案进行验证，测试结果表明该方案能够有效估计出惯性器件误差，对误差进行补偿后，基于光纤陀螺的单轴惯导系统定位精度显著提高。