基于新型捷联姿态算法和非线性滤波的高精度位姿测量方法研究

The high-accuracy measurement of aircraft motion parameters using Position and Orientation System can provide an important guarantee for inhibiting the image degradation of earth observation. However, the overall performance of Position and Orientation System is limited by device cost, strapdown computation accuracy, and the effects of SINS transfer alignment on moving base and SINS/GPS data fusion. Considering these constraints, this project is intended to address new strapdown attitude algorithms based on different input signals for lower-cost fiber optic gyros. In this part, compensation coefficients in these algorithms are globally optimized from the product of coning frequency and updating period, half cone angle and periodic components. This can improve the accuracy and universality of algorithm in actual motion environment. Furthermore, a technology based on Strong Tracking SGQF is studied for SINS transfer alignment on moving base and SINS/GPS data fusion, where theory and method for inertia-based nonlinear systems are proposed to analyze the observable degrees of state variables. Then the entire accuracy and real-time performance of system can be promoted by establishing close models of feedback correction as the observable degrees of state variables change. This project will fully exploit the potential advantages of inertia/satellite integrated measurement, and provide theoretical foundation and technical support for developing high-accuracy Position and Orientation System for earth observation with independent intellectual property rights.

通过位置姿态测量系统实现载机运动参数的高精度测量是抑制对地观测成像像质退化的重要保障。但是，惯性器件成本、捷联解算精度、SINS动基座传递对准和SINS/GPS数据融合的效果限制了系统的整体性能。针对上述制约因素，本项目拟以成本较低的光纤陀螺为对象，研究基于不同形式输入信号的新型捷联姿态算法，从锥频率和更新周期的乘积、锥半角以及周期分量等角度统一优化算法中的补偿系数，以提高实际运动环境中算法的精度和通用性；同时，研究基于强跟踪SGQF的SINS动基座传递对准和SINS/GPS数据融合技术，提出适用于惯性基非线性系统的状态变量可观测度分析理论和方法，根据状态变量可观测度的变化建立准确的反馈校正模型，以提升系统的整体精度和实时性。本项目的研究将充分挖掘惯性/卫星组合测量的潜在优势，为研制具有自主知识产权的对地观测用高精度位置姿态测量系统提供理论基础和技术支持。

本项目以提高位置姿态测量系统的精度和实时性为目标，从捷联姿态算法、SINS初始对准以及SINS/GPS组合系统的数据融合等方面展开研究，取得了多项创新性成果。项目执行期间，发表论文12篇，其中SCI检索6篇，EI检索6篇；申请国家发明专利8项，其中授权6项；相关成果获中国机械工业科学技术二等奖、中国商业联合会科学技术二等奖、教育部科技进步二等奖和江苏省科学技术三等奖各1项。主要研究内容与创新性成果概述：.1. 在对圆锥误差补偿结构进行简化处理的基础上获得了一种双边修正的圆锥误差补偿结构，通过对典型载体运动环境表达式进行定义，分析了典型运动环境的关键特征，推导并给出了误差补偿准则的具体描述，根据优化目标确定了误差补偿结构中的参数；.2. 提出了一种匹配修正的圆锥补偿算法设计方法（同时考虑对圆锥误差和机动误差的补偿），建立了匹配圆锥补偿结构与传统非压缩圆锥补偿结构之间系数的约束和转换关系，推导了一般机动条件下基于传统非压缩圆锥补偿结构的误差描述，通过对圆锥补偿算法中结构系数的优化，较好地实现了对捷联姿态算法中圆锥误差和机动误差的补偿；.3. 给出了一种在选定的锥频率范围内统筹考虑锥频率和更新周期进行改进的方案，构建了角速率输入下的圆锥误差补偿模型，通过使误差的平方和达到最小来确定补偿结构中的优化系数，由于充分考虑了载体的实际运动环境，改进算法的综合性能得到提升，且在复杂运动环境下的精度更高；.4. 针对大失准角情况下SINS初始对准的强非线性问题，提出了基于强跟踪SGQF和反馈校正的解决思路，通过分析非线性误差方程确定了不同情况下的系统可观测程度及相应的基准，采用归一化处理实现了强非线性系统的误差补偿和校正，有效提高了SINS初始对准的计算效率；.5. 提出了一种高精度的SINS/GPS数据融合方法，考虑动态系统中的随机不确定度，采用稀疏网格方法对多维积分点进行配置，得到了复杂动态环境下SINS/GPS组合系统状态变量的均值及协方差估计，基于强跟踪滤波和反馈校正思想实现了强非线性系统的数据融合，改善了SINS/GPS组合系统的滤波效果。.6. 设计了仿真及实验方案，开发了相应的软件程序，分别进行了仿真模拟以及半物理实验或实车实验，为研发出高精度可靠运行的位置姿态测量系统提供了实验基础。