[发明专利]一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统外水平阻尼方法

说明书

技术领域

本发明属于航海捷联惯导技术领域，具体涉及一种基于自适应互补滤波的捷联惯导系统 的外水平阻尼方法。

背景技术

无阻尼惯性导航系统是一种自主式导航系统，运载体不受加速度的干扰，但其含有三种 周期性振荡误差，即舒勒周期振荡、傅科周期振荡和地球周期振荡。对飞机、导弹等此类加 速度和速度很大，同时使用时间又很短的系统，误差积累并不严重，但是对于使用时间较长， 加速度又不太大的舰船来说，产生的误差是振荡的，并且随时间积累，无阻尼惯导系统无法 满足要求，必须对振荡误差进行阻尼。惯导系统与GPS的组合式导航系统可以补偿发散的惯 导系统误差，但GPS易受干扰，且在水下无法进行定位。因此在无法获得位置信息的情况下， 只能依靠多普勒提供的速度信息进行外水平阻尼来抑制舒勒振荡。

目前，学者们正努力寻求有效的外水平阻尼算法。传统的外水平阻尼网络能够很好的将 舒勒振荡误差阻尼下来，但是在阻尼切换时会产生超调误差，且外参考速度误差越大，产生 的超调越大。此外，其参数是通过逐步尝试法而得到的，不具有理论推导依据。因此文献《基 于Kalman滤波技术的捷联惯导系统水平阻尼算法》(中国惯性技术学 报,2013,21(3):285-288)立足现代控制理论，提出一种基于卡尔曼滤波技术的水平阻尼算法， 但卡尔曼滤波算法对初始值的选取以及过程噪声的协方差很敏感，在实际应用中，无法获得 准确的加速度计误差与陀螺漂移。文献《基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计》(中 国惯性技术学,2012,20(2)157-161)提出了将具有优良高频特性的常速度网络和低频特性的 相位滞后超前网络进行互补滤波匹配，但当多普勒测得的参考外速度误差随时间变化时，固 定的阻尼参数并不能起到良好阻尼效果，甚至造成发散现象，造成了一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，本发明选取具有优良高频特性的常速度网络和优良 低频特性的相位滞后-超前网络进行互补匹配得到同时具有高低频特性的高阶网络，并根据实 时变化的多普勒测得的外参考速度误差，固定其中一个阻尼参数，自适应调节高阶互补滤波 阻尼网络的另一个阻尼系数，将带有此系数的阻尼网络加入到惯导解算的控制方程中，进而 消除掉速度误差、位置误差和姿态角误差中的射了振荡以及阻尼转换状态下的超调问题，以 达到自适应多变的外参考速度误差和保证稳定性的目的。

本发明包括以下几个步骤：

步骤一：基于互补滤波的阻尼网络选取方法如下，由于阻尼网络需要具有使得常数的外 参考速度误差对惯性指示位置误差和速度误差的贡献为0，而加速度计测量误差和陀螺仪漂 移误差的低频分量影响保持与无阻尼状态的情况不变，有效过滤外参考速度和惯性仪表输出 的高频干扰信号得功能，且保证舒勒阻尼回路的闭环特征方程的特征根具有负实部，因此选 却的阻尼网络需要具有良好的高频和低频特性；由于常速度网络具有抑制高频参考速度误差 的特性，而相位滞后-超前网络对陀螺仪漂移加速度计误差具有高频衰减特性，二者的互补性 很强，因此考虑将两种网络组合成互补滤波器，常速度网络Q_A(s)和相位滞后-超前网络Q_B(s) 为：

即保持常速度网络的高频特性和相位滞后-超前网络的低频特性，互补匹配后的高阶网络 为：

该网络对高低频参考速度误差的频率特性为均不低于40dB/10deg，且对于加速度计误差 和陀螺漂移来说，低频几乎无衰减，即地球周期振荡依然存在；但高频均具有二阶以上的衰 减特性，具有明显的优势；

步骤二：在惯导系统中加入自适应机构，多普勒计程仪测得的外参考速度和惯导系统的 速度之差为自适应机构的输入量，阻尼网络的参数为自适应机构的输出量，自适应阻尼系统 通过自适应机构根据外速度误差实时的调整阻尼网络参数；

步骤三：选取速度误差作为自适应机构的目标函数，即：

其中，δv_x,δv_y分别为东向和北向系统速度与外参考速度之差；由捷联惯导系统的传播特 性可知，系统的速度和外参考速度之差对阻尼参数的影响很大；