惯性导航系统抗干扰动基座对准方法研究

The principle of the inertial navigation system (INS) is based on the Newton's laws of motion. By measuring the acceleration of a carrier in the inertial coordinate system, the velocity, attitude and position can be calculated in the navigation coordinate system with time integral. The accuracy of alignment directly affects the accuracy of an INS. INS is often subjected to the modeling error, time-varying parameters, stochastic errors of inertial sensors, environmental disturbance, measurement noise, system failures and so on. Therefore, it is urgent to study the alignment methods with high precision and high reliability.. In this project, firstly, a design framework for a class of anti-disturbance filters is proposed for time-varying systems with multiple disurbances. Secondly, the multiple disturbances in an INS can be divided into different types. Introducting of external reference navigation information, a new error model of INS with multiple disturbances is established. Then, the proposed anti-disturbance filtering approaches can be applied to in-motion alignment to improve the accuracy. For an INS with system fault, a class of anti-disturbance fault tolerance alignment methods is addressed with high reliability. Finally, a validation method is discussed based on the measured data in an experiment or hardware-in-the-loop simulation technique to provide a theoretical basis for high accuracy and high reliability inertial navigation system.

惯性导航系统的工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性坐标系中的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到速度、姿态和位置等信息。对准精度直接影响到导航系统的精度。惯导系统往往受到建模误差、参数时变、惯性器件误差、环境干扰、测量噪声以及系统故障等因素影响，因此迫切需要研究高精度高可靠性的惯导系统对准方法。. 本项目首先构建一类多源干扰时变系统的抗干扰滤波方法；其次，对导航系统中的不同干扰进行分类，引入外部参考导航信息，建立了一类含有多源干扰的惯导系统误差新模型；然后，将所设计的多源干扰时变系统抗干扰滤波方法应用到动基座对准中提高对准精度；针对含有系统故障的惯导系统，设计一类抗干扰高可靠性的容错动基座对准方法；最后，研究基于实测数据和半物理仿真技术的有效性验证方法，为惯性导航系统技术研究提供理论基础。

惯性导航系统普遍受到建模误差、参数时变、惯性器件误差、环境干扰、测量噪声以及系统故障等因素影响。大部分对准方法都是假设这些干扰为高斯噪声或等价的范数有界干扰，然后利用卡尔曼型滤波器或鲁棒滤波方法进行初始对准研究。为了提高惯性组合导航系统的精度和可靠性，因此需要研究抗干扰滤波方法及其在惯性导航系统动基座对准中的应用。. 本课题重点研究了多源干扰系统的干扰分类建模，抗干扰控制与滤波方法及其在惯性导航系统初始对准和容错控制中的应用。主要研究内容包括：. （1）针对含有多源干扰和故障的非线性系统，研究抗干扰控制和滤波方法，建立多源干扰系统抗干扰控制和滤波的研究框架。. （2）针对含有多源干扰的惯性导航系统以及惯性组合导航系统，构造一类含多源干扰和故障的导航系统误差新模型；针对惯性导航系统同时存在多源干扰和系统故障，设计一类抗干扰高可靠性容错对准方法，为高精度和高可靠性惯性导航系统或惯性组合导航系统技术研究提供理论基础。. （3）提出了基于导航实测数据和无人机系统的有效性验证方法，为高精度和高可靠性惯性导航系统或惯性组合导航系统技术研究提供理论基础。. 研究结果已在国内外学术期刊及会议上发表论文20余篇，分别有9篇、16篇论文被SCI、EI收录。申请/授权国家发明专利7项，其中已经授权4项。获中国自动化学会自然科学奖一等奖、扬州市自然科学优秀学术论文奖二等奖各1项。已培养8名硕士研究生。本项目的研究结果具有重要的理论意义和实用价值，能为国民经济生产和国家国防建设贡献力量。