基于MEMS-IMU的航母着舰点位置高精度测量技术研究

The touchdown point position accuracy of aircraft carrier will directly affect the safety and automaticity of carrier-based aircraft autonomous landing. The position information is obtained from the GNSS antenna equipped on the carrier’s yardarm. However, the relative displacement between the antenna and the flight deck appears under the circumstances of large maneuvering or complex sea condition which directly affects the accuracy of touchdown point. In order to solve this problem, an approach for high-precision position measurement is designed in this project. On the one hand, a signal preprocessing algorithm based on ELMEMD-Shannon is proposed to solve the problem that the MEMS-IMU output signal contains large random errors. On the other hand, a robust position measurement algorithm based on MEMS-IMU angular rate and GHCKRF is proposed to solve the problem that the system has large uncertainty. A test prototype is set up based on the inertial equipment to verify the approach and algorithm based the semi-physical simulation and real-ship test. This project is a new exploration in the field of carrier-based aircraft autonomous landing, which has theoretical significance and practical application values.

航母着舰点位置信息的准确性直接影响舰载机着舰的安全性以及自动化程度，该位置信息由安装在航母横桅杆处的GNSS天线获取，然而在舰船大机动或复杂海况条件下，GNSS天线相对飞行甲板会产生较大位移，这将严重影响着舰点位置信息精度。为此，本项目设计一种基于MEMS-IMU的着舰点位置高精度测量方案。一方面，针对MEMS-IMU输出信号中包含大量随机误差的问题，提出一种基于ELMEMD-Shannon的信号预处理方法；另一方面，针对系统存在较大不确定性的问题，研究一种基于MEMS-IMU角速率和GHCKRF的位置测量鲁棒算法；利用实验室惯性设备搭建原理性试验平台，通过半实物仿真和实船试验对方案和算法进行验证完善。项目研究是在舰载机自主着舰领域的全新探索，具有重要的理论意义和实际应用价值。

航母着舰点位置信息的准确性直接影响舰载机着舰的安全性以及自动化程度，而在舰船大机动或复杂海况条件下，航母甲板的变形会严重影响着舰点位置测量精度。为此，本项目开展了基于MEMS-IMU的航母着舰点位置高精度测量技术研究。具体研究从以下几方面开展：.（1）着舰点位置高精度测量方案设计.深入分析着舰点与GNSS天线位置误差特性并建立了航母甲板变形模型；考虑着舰点位置的特殊性，采用MEMS-IMU设备所测量的角速率惯性信息，准确获得理想着舰点位置与GNSS天线之间的位置变化关系，形成了一套适用于复杂环境下航母着舰点位置的高精度测量工作方案。.（2）MEMS-IMU信号去噪预处理算法研究.提出了一种ELMEMD-Shannon信号去噪预处理算法，采用了ELMEMD方法将非线性、非平稳的MEMS-IMU信号分解为频率和振幅调制的波形，采用了Shannon熵判据来对高频噪声和低频有效信号进行分离，从而提高了惯性量的测量精度，并利用仿真验证了所提算法的优越性。.（3）基于MEMS-IMU角速率信息的位置测量算法研究.提出了一种基于MEMS-IMU角速率信息的位置测量算法，利用CKF解决了系统的非线性问题，引入Huber鲁棒滤波的新息加权思想抑制了系统不确定性的影响，并充分考虑杆臂及时延等因素的影响。利用仿真验证了所提算法可以有效提升测量的实时性和鲁棒性。.（4）着舰点位置高精度测量方案试验验证.首先，利用计算机模拟了航母在不同海况以及机动条件下的MEMS-IMU和GNSS输出数据，对所提工作方案及改进算法的可行性进行了仿真验证；其次，利用高精度三轴测试转台、光纤惯性测量单元搭建了着舰点位置测量的原理性试验平台，开展了转台试验验证；最后，利用PHINS、GNSS以及光纤惯性测量单元等设备开展了实船试验验证。