吳有龍

1. 金陵科技學(xué)院智能科學(xué)與控制工程學(xué)院，江蘇 南京 211169； 2. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094

巡飛彈是先進(jìn)導(dǎo)彈技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)等相結(jié)合的產(chǎn)物，能夠快速抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域，執(zhí)行集巡邏飛行，偵察監(jiān)視等多功能于一體，是滿足未來信息化作戰(zhàn)需求的智能化彈藥。由于巡飛彈需要長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境下工作的特點(diǎn)，改善彈載導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和可靠性對(duì)提高巡飛彈的系統(tǒng)性能非常關(guān)鍵。為此，本文研究了低成本彈載組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的故障處理問題，對(duì)慣性傳感器的隨機(jī)誤差進(jìn)行分析和補(bǔ)償，并探討了高精度的導(dǎo)航定位算法。主要工作包括：

(1) 研究了多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自主完好性監(jiān)測(cè)理論。基于仿真數(shù)據(jù)，綜合分析了北斗系統(tǒng)中不同類別衛(wèi)星(GEO/IGSO/MEO)的可靠性和可區(qū)分性以及與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的組合性能。結(jié)果表明，相較于MEO和IGSO衛(wèi)星而言，GEO衛(wèi)星的最小可探測(cè)粗差較大，這是因?yàn)楹笳叩挠^測(cè)精度低；對(duì)多衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)而言，衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)和冗余度得到了顯著增強(qiáng)，從而提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性，并增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)故障的可區(qū)分能力。

(2) 探討了衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航組合系統(tǒng)的可靠性理論，分析了不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣導(dǎo)系統(tǒng)的不同精度對(duì)組合系統(tǒng)可靠性的影響。不同于單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，各衛(wèi)星的最小可探測(cè)粗差不僅受衛(wèi)星高度角、冗余觀測(cè)量以及衛(wèi)星幾何分布影響，很大程度上也依賴于具體采用的卡爾曼濾波模型。當(dāng)卡爾曼濾波的解算精度隨導(dǎo)航時(shí)間收斂后，各衛(wèi)星的最小可探測(cè)粗差也相應(yīng)地趨于穩(wěn)定。此外，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與不同精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)組合時(shí)，高精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)有助于降低觀測(cè)量的最小可探測(cè)粗差，但降低的幅度并不與慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度成正比。

(3) 提出了慣性傳感器中有色噪聲的建模與補(bǔ)償方法。為了提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，需要對(duì)慣性傳感器誤差進(jìn)行估計(jì)與精確建模。本文從理論上分析了零偏不穩(wěn)定性過程，證明了零偏不穩(wěn)定過程可以等效于多個(gè)一階馬爾可夫過程，并結(jié)合角隨機(jī)游走和速率隨機(jī)游走噪聲對(duì)傳感器進(jìn)行建模，通過卡爾曼濾波增強(qiáng)矩陣對(duì)傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，最后試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的可行性。

(4) 提出了基于相關(guān)性分析的組合導(dǎo)航的故障檢測(cè)和隔離方法。當(dāng)衛(wèi)星的幾何分布較差時(shí)，會(huì)造成觀測(cè)模型殘差之間的高相關(guān)性，由此導(dǎo)致故障檢測(cè)中的誤判行為。本文從理論上分析了由相關(guān)性引起的誤判行為對(duì)導(dǎo)航定位的影響，提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)化殘差相關(guān)性分析的故障檢測(cè)與隔離的算法。當(dāng)衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)良好時(shí)，可以保證故障檢測(cè)的正確性，因而可以直接剔除檢測(cè)到的含故障的觀測(cè)值。而當(dāng)觀測(cè)值對(duì)應(yīng)的殘差間出現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性時(shí)，采用自適應(yīng)降權(quán)的方法對(duì)可能存在故障的觀測(cè)值進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效控制異常觀測(cè)值對(duì)定位結(jié)果的影響。

(5) 設(shè)計(jì)了可用于巡飛彈導(dǎo)航系統(tǒng)的基于載波相位時(shí)間差分高精度組合導(dǎo)航定位和測(cè)速方法。本文針對(duì)巡飛彈的具體應(yīng)用設(shè)計(jì)了利用載波相位時(shí)間差分的導(dǎo)航算法，避免求解模糊度，大大減小了系統(tǒng)運(yùn)算復(fù)雜度。組合導(dǎo)航試驗(yàn)結(jié)果表明，利用載波相位時(shí)間差分可以獲得毫米/秒量級(jí)的速度信息以及米級(jí)精度的位置解算結(jié)果。