不确定非线性惯性信息辅助载波锁相跟踪环路机理分析与控制

本项目定位于研究将不确定非线性惯性信息引入由惯性辅助载波锁相环和延迟锁定环构成闭环回路的稳定分析和控制问题。研究过程以惯性辅助载波锁相跟踪环路为研究对象，针对非线性惯性信息辅助载波锁相跟踪环路的稳定性分析、不确定非线性惯性信息对环路稳定性影响等亟待解决的难点问题，以现代控制理论、D-最优理论、奇异摄动理论为工具，基于能量约束的T-S模糊理论提出非线性惯性辅助载波锁相闭环控制回路的稳定性条件；基于奇异摄动理论提出抑制不确定非线性惯性信息误差的方法；基于D-最优理论构建最小方差的惯性辅助信息及最佳载波环路带宽确定方法；减小动态和干扰环境中不确定非线性惯性辅助信息对载波锁相跟踪环路稳定控制的影响。研究成果将在非线性惯性信息辅助载波锁相跟踪环路稳定性分析、不确定非线性惯性辅助信息处理等方面提出新的理论和思路，为我国北斗卫星导航接收机在高动态低信噪比环境下的精确导航定位提供理论与技术支持。

惯性信息辅助载波锁相跟踪环路技术将惯性信息引入到卫星导航接收机载波锁相跟踪环路中形成稳定的闭环控制回路，是保证复杂环境下卫星接收机精确导航定位的有效方法，已成为精密导航技术发展的重要趋势。本研究着重研究了复杂环境下惯性信息辅助载波锁相跟踪环路的稳定性和惯性信息误差抑制等难点问题，主要研究内容如下：. 低载噪比环境下惯性信息辅助载波锁相跟踪环路呈现非线性特性。在构建惯性信息辅助载波锁相跟踪闭环控制回路非线性模型的基础上，考虑到T-S 模糊理论在非线性系统稳定性分析中的局限性，基于IQC理论提出了低载噪比条件下惯性辅助载波锁相环路的绝对稳定性条件。针对高低混合动态条件下惯性辅助载波锁相跟踪环路呈现的切换特征，建立了惯性辅助载波锁相跟踪环路的切换模型。在此基础上，基于切换系统稳定性理论提出了高低混合动态条件下惯性辅助载波锁相跟踪环路渐近稳定的充分条件。依据稳定性条件提出了惯性辅助载波锁相跟踪环最佳带宽确定方法。仿真和物理试验表明，复杂环境下满足稳定性条件的惯导辅助载波跟踪环路具有较高的跟踪精度和鲁棒性。. 惯性信息精度是影响惯性辅助载波锁相跟踪环稳定性和跟踪精度的关键因素。为了提高惯性元件的测量精度，基于D-最优理论和遗传算法提出了D-最优十二位置惯性元件标定方法，以最小的实验成本实现了惯性元件确定性误差的补偿。在此基础上，为了进一步提高惯性信息的可靠性和不确定误差的抑制能力，基于惯性信息余度技术建立了冗余惯性信息综合精度与可靠性的性能指标，并提出了冗余惯性元件数量准则。在综合考虑冗余惯性测量组件精度、体积和故障模态等因素的基础上，提出了基于D-最优的冗余惯性信息配置结构。试验表明：D-最优十二位置惯性元件标定方法可获得比目前广泛使用的二十四位置标定方案更高的补偿精度。另一方面，基于D-最优的冗余惯性信息配置结构在精度和体积方面都达到了最优的性能。. 为了满足惯性辅助载波锁相跟踪环路对惯性辅助信息高速更新及其精度的要求，基于奇异摄动理论研究了惯性信息高速更新及其不确定非线性误差补偿方法。研究中建立了复杂环境下惯性信息的两时间尺度模型，提出了抑制伪圆锥和伪划船惯性信息误差的高速更新算法。仿真结果表明：基于奇异摄动理论的高精度惯性信息高速更新及其误差补偿算法不仅计算量小，而且有效地抑制了圆锥、伪圆锥以及划船、伪划船等系统误差，提高惯性辅助信息的精度。