高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究 9787118102680 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杨杰，练军想，吴文启 著

图书标签:

• 激光陀螺
• 惯性导航
• 非线性模型
• 参数估计
• 高精度
• 系统建模
• 误差分析
• 滤波算法
• 控制技术
• 导航系统

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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118102680

商品编码：29762463638

包装：平装

出版时间：2016-07-01

图书基本信息
图书名称	高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究	作者	杨杰,练军想,吴文启
定价	50.00元	出版社	国防工业出版社
ISBN	9787118102680	出版日期	2016-07-01
字数		页码
版次	1	装帧	平装
开本	16开	商品重量	0.4Kg

内容简介

杨杰、练军想、吴文启所*的《高精度激光陀螺 惯导系统非线性模型参数估计方法研究》针对长航时 航海导航和航空重力测量的高精度激光陀螺惯导系统 ，买现了石英挠性加速度计μg量级的参数标定精度。 根据石英挠性加速度计不同的误差特性，分别建立了 加速度计组件的线性测量模型和不同误差特性的非线 性测量模型。针对加速度计组件不同的测量模型，本 书提出了三种详细的标定算法，分别为基于转动矢量 观测的参数分立标定算法，基于重力值观测的参数分 立标定算法，基于姿态自主测量的参数系统级标定算 法。在此基础上，本书还给出了高精度惯导系统参数 标定精度综合验证和评估的有效方法。作者对书中涉 及的重要模型和算法进行了严格的理论推导，并给出 了大量详细的工程实例，可为惯性导航专业工程师和 在校研究生提供有益的参考和指导。

作者简介

目录

章 绪论 1.1 研究动机 1.2 基础准备 1.2.1 惯导系统参数估计 1.2.2 惯性器件温度误差模型参数估计 1.2.3 惯导系统状态估计可观性分析 1.3 本书拟解决的主要问题 1.4 本书的主要内容和研究成果第2章 温变环境中高精度激光陀螺非线性温度误差模型参数估计 2.1 激光陀螺标定参数温度漂移误差形成机理 2.1.1 激光陀螺标度因数温度漂移误差形成机理 2.1.2 激光陀螺零偏温度漂移误差形成机理 2.2 激光陀螺标定参数温度误差对惯性导航姿态解算精度影响分析 2.2.1 激光陀螺角增量测量误差温度参数模型 2.2.2 激光陀螺标定参数温度误差对姿态解算精度影响分析 2.3 激光陀螺标度因数温度误差特性实验研究 2.3.1 实验对象 2.3.2 试验方案 2.3.3 实验结果 2.4 激光陀螺零偏温度误差特性实验研究 2.4.1 实验对象 2.4.2 实验方案 2.4.3 静态温度误差参数模型试验 2.4.4 动态温度误差参数模型实验 2.4.5 激光陀螺测试电路温度实验 2.5 本章小结第3章 基于激光陀螺组件辅助姿态测量的高精度石英挠性加速度计组件非线性模型参数估计 3.1 石英挠性加速度计非线性误差特性机理分析 3.1.1 石英挠性加速度计非线性脉冲测量模型 3.1.2 石英挠性加速度计非线叉耦合项误差机理 3.2 石英挠性加速度计非线性误差对惯性导航解算性能分析 3.2.1 北向通道误差传播规律 3.2.2 东向通道误差传播规律 3.3 石英挠性加速度计组件非线性模型参数的两步估计算法 3.3.1 基于激光陀螺组件敏感轴方向约束的机体坐标系定义 3.3.2 激光陀螺组件和石英挠性加速度计组件的测量模型 3.3.3 惯性组合非线性测量模型参数的标定 3.3.4 实验结果及验证分析 3.3.5 参数标定精度及误差分析 3.3.6 结论 3.4 航海导航应用中石英挠性加速度计组件非线性模型参数标定 3.4.1 一种改进的石英挠性加速度计组件非线性测量模型 3.4.2 石英挠性加速度计组件非线性模型参数的迭代估计算法 3.4.3 石英挠性加速度计组件非线性项误差的实时补偿 3.4.4 非线性模型参数迭代估计算法仿真验证 3.4.5 非线性模型参数迭代估计算法实验验证 3.4.6 结论 3.5 石英挠性加速度计组件非线性模型参数系统级标定 3.5.1 相关坐标系定义 3.5.2 石英挠性加速度计组件非线性系统级参数标定模型 3.5.3 石英挠性加速度计组件非线性模型参数的系统级标定 3.5.4 石英挠性加速度计组件系统级参数标定仿真验证 3.5.5 结论 3.6 本章小结第4章 重力场内高精度石英挠性加速度计组件非线性模型参数估计 4.1 石英挠性加速度计组件线性模型参数的迭代估计算法 4.1.1 石英挠性加速度计组件线性脉冲测量模型 4.1.2 无姿态基准条件下加速度计组件线性模型参数一步估计算法 4.1.3 无姿态基准条件下加速度计组件线性模型参数迭代估计算法 4.1.4 两种无姿态基准参数估计算法的优化观测编排 4.1.5 基于仿真分析的两种无姿态基准标定算法性能比较 4.2 考虑二次平方项误差的非线性模型参数的迭代估计算法 4.2.1 考虑二次平方项误差的加速度计组件非线性脉冲测量模型 4.2.2 考虑二次平方项误差的非线性模型参数迭代估计算法 4.2.3 二次平方项系数优化观测位置编排 4.2.4 迭代标定算法仿真验证 4.3 考虑交叉耦合项误差的非线性模型参数的迭代估计算法 4.3.1 考虑交叉耦合项误差的加速度计组件非线性脉冲测量模型 4.3.2 考虑交叉耦合项误差的非线性模型参数迭代估计算法 4.3.3 交叉耦合项系数优化观测编排 4.3.4 迭代标定算法仿真验证 4.4 重力场空间加速度计组件参数标定与模型优化选择的实验验证 4.5 本章小结第5章 温变环境中高精度石英挠性加速度计组件非线性温度误差模型参数估计 5.1 石英挠性加速度计温度误差形成机理及对惯性导航解算性能分析 5.1.1 石英挠性加速度计表头温度误差形成机理分析 5.1.2 石英挠性加速度计标定参数温度误差对惯性导航解算性能分析 5.2 转动矢量连续观测下加速度计组件非线性温度误差模型参数标定 5.2.1 石英挠性加速度计组件热平衡过程分析 5.2.2 石英挠性加速度计组件热参数的比力积分增量线性测量模型 5.2.3 温变环境中加速度计组件非线性温度误差模型参数的标定 5.2.4 基于特殊卡尔曼滤波算法的非线性温度误差模型参数估计 5.2.5 系统冷启动过程中非线性温度误差模型参数标定结果及验证 5.2.6 结论 5.3 重力值连续观测下加速度计组件非线性温度误差模型参数标定 5.3.1 一种新的石英挠性加速度计组件非线性温度参数模型 5.3.2 基于重力值连续观测的石英挠性加速度计组件热参数标定 5.3.3 恒温环境中激光陀螺组件和加速度计组件相对姿态参数标定 5.3.4 恒温环境中加速度计组件尺寸效应参数标定 5.3.5 石英挠性加速度计组件热参数标定结果及实验验证 5.3.6 石英挠性加速度计组件尺寸效应参数标定结果及实验验证 5.3.7 结论 5.4 基于迭代估计的加速度计组件非线性温度误差模型参数外场标定 5.4.1 石英挠性加速度计组件非线性温度参数外场标定模型 5.4.2 基于迭代估计的非线性温度误差模型参数外场标定算法 5.4.3 加速度计组件非线性温度误差模型参数优化观测编排 5.4.4 加速度计组件非线性温度误差模型参数外场标定结果及验证 5.4.5 结论 5.5 本章小结第6章 初始位置未知环境中惯导系统非线性模型参数估计 6.1 初始位置未知条件下惯导系统的多位置对准算法 6.1.1 初始位置未知的解析粗对准算法 6.1.2 初始位置未知的多组位置转动精对准算法 6.2 初始位置已知条件下惯导系统多位置对准可观性 6.3 初始位置未知条件下惯导系统多位置对准可观性 6.3.1 PWCS可观性分析的充分条件 6.3.2 修正的PWCS可观性分析方法 6.4 初始位置未知条件下惯导系统多位置对准仿真和实验 6.4.1 仿真验证 6.4.2 实验验证 6.5 本章小结第7章 总结和展望 7.1 本书总结 7.2 研究展望参考文献

编辑推荐

文摘

序言

高精度激光陀螺惯性导航系统非线性模型参数识别与验证研究 引言 惯性导航系统（INS）作为一种自主的、无需外部信号辅助的导航定位技术，在航空航天、船舶、陆地车辆、深海探测以及精确制导武器等诸多领域扮演着至关重要的角色。其核心在于利用惯性传感器（如加速度计和陀螺仪）来测量载体的加速度和角速度，通过积分运算来推算载体的速度、位置和姿态。其中，激光陀螺（LG）以其高精度、长寿命、抗干扰能力强等优势，已成为当前高精度惯性导航系统中最主要的陀螺器件之一。 然而，无论是激光陀螺本身，还是集成在惯性测量单元（IMU）中的加速度计，其输出信号都不可避免地受到各种非线性因素的影响。这些非线性效应，如零偏的温度依赖性、尺度因子的非线性漂移、器件固有的非线性耦合以及系统集成过程中产生的误差耦合等，都会严重影响惯导系统的导航精度和稳定性。特别是在进行高精度定位和导航任务时，这些非线性误差的累积可能导致严重的定位偏差，甚至失效。因此，如何准确地识别和补偿这些非线性模型参数，对于提升高精度激光陀螺惯性导航系统的整体性能至关重要。 传统的惯导系统参数辨识方法，大多基于线性模型或对非线性模型进行简化处理，难以充分刻画和补偿激光陀螺惯导系统所面临的复杂非线性特性。随着惯导系统向更高精度、更长续航能力方向发展，对非线性模型参数的精确评估和有效利用成为一项亟待解决的关键技术难题。本研究旨在深入探讨高精度激光陀螺惯导系统的非线性模型参数评估方法，并致力于发展一套系统、可靠的参数识别与验证流程，以期显著提高系统的导航定位精度和可靠性。 研究背景与意义 1. 激光陀螺技术的发展与挑战 激光陀螺，尤其是干涉式激光陀螺，凭借其固有的高精度、快速响应、宽动态范围以及良好的抗冲击和振动性能，在航空航天等高端应用领域逐渐取代了传统的机械陀螺。其工作原理基于Sagnac效应，通过测量两束反向传播激光的光程差来推算载体的角速率。然而，尽管激光陀螺本身具有优良的性能，但其输出信号依然存在一系列非线性误差源。这些误差源包括但不限于： 温度敏感性： 激光陀螺的零偏、尺度因子等关键参数会随温度发生显著变化。这种变化往往是非线性的，表现为与温度的复杂函数关系。 受激原子非线性效应： 在激光腔内，原子辐射跃迁和激光与介质的相互作用会引入非线性效应，尤其是在大角速率下，可能导致陀螺输出的非线性偏差。 光路器件的非线性： 腔镜、分束器等光学元件在长期使用或受到外界干扰时，其光学性能可能发生非线性变化，影响光程差的测量精度。 电子器件的非线性： 驱动激光器、解调信号的电子器件也可能引入非线性失真。 2. 惯性测量单元（IMU）的非线性误差 激光陀螺通常与加速度计一起集成在IMU中。加速度计的非线性误差同样不容忽视，例如： 零偏的温度和振动依赖性： 加速度计的零偏不仅随温度变化，还可能受到载体振动的耦合影响，产生非线性偏差。 尺度因子的非线性： 加速度计的尺度因子（将测量值转换为实际加速度的比例系数）也可能存在非线性变化，尤其是在大加速度范围内。 轴间耦合误差： 加速度计的测量轴之间可能存在非线性耦合，即在一个轴上的加速度测量会受到其他轴上加速度的影响。 3. 系统集成带来的非线性误差 将激光陀螺和加速度计集成到IMU中，以及IMU集成到惯导系统中，还会引入一系列系统级的非线性误差： IMU安装误差的非线性： IMU在载体上的安装误差，如果未经精确标定，其引起的姿态转换误差在大幅度姿态变化时会表现出非线性特征。 器件间的误差耦合： 激光陀螺的某些误差可能与加速度计的输出或载体的状态（如速度、加速度）发生非线性耦合。 载体动力学模型的非线性： 载体的运动本身就遵循复杂的非线性动力学规律，例如高动态飞机的机动飞行。如何将IMU的测量误差与这些非线性动力学模型相结合，进行精确的状态估计，是提高导航精度的关键。 4. 研究的必要性与重要性 提升导航精度： 精确的非线性模型参数能够更准确地描述和补偿传感器输出中的误差，从而显著提高惯导系统的定位、定向和测速精度，尤其是在长时间或高动态条件下。 增强系统鲁棒性： 有效的非线性误差补偿机制能够增强惯导系统对环境变化（如温度变化、振动）和工作条件（如高动态机动）的适应能力和鲁棒性。 延长系统工作时间： 精确的参数评估和补偿有助于减缓误差的累积，从而在不依赖外部辅助的情况下，延长惯导系统的自主工作时间，满足更广泛的应用需求。 优化系统设计与标定： 对非线性参数的深入研究有助于指导IMU的选型、设计以及标定流程的优化，提高标定效率和精度。 推动惯导技术发展： 解决高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估这一关键技术难题，将为惯导技术在未来更高性能、更复杂应用场景下的发展奠定坚实基础。 研究内容概述 本研究将围绕高精度激光陀螺惯导系统的非线性模型参数评估展开，主要包括以下几个方面： 1. 非线性误差模型构建 激光陀螺非线性误差模型： 深入分析激光陀螺存在的各种非线性误差源，建立包括温度效应、受激原子效应、光路非线性等在内的详细非线性误差数学模型。重点关注与角速率、温度、器件老化等状态相关的非线性项。 加速度计非线性误差模型： 分析加速度计的非线性误差，如零偏和尺度因子的温度、振动以及加速度依赖性，构建相应的非线性误差模型。 系统集成非线性误差模型： 考虑IMU的安装误差、轴间耦合以及器件间的误差耦合等，构建描述系统级非线性误差的模型。 2. 非线性模型参数识别方法研究 辨识原理与策略： 探讨适用于非线性模型的参数识别理论和方法。区别于传统的线性最小二乘法，将重点研究基于迭代优化、卡尔曼滤波及其扩展（如扩展卡尔曼滤波 EKF、无迹卡尔曼滤波 UKF、粒子滤波 PF）等能够处理非线性系统的状态估计与参数辨识相结合的方法。 辨识实验设计： 设计专门的实验方案来采集用于参数识别的测量数据。这可能包括： 温度变化实验： 在不同温度下进行静态和动态测试，以捕获陀螺和加速度计的温度依赖性参数。 多轴转台实验： 利用高精度多轴转台，模拟不同角速度输入，精确测量陀螺的输出，识别尺度因子、非线性耦合等参数。 振动与冲击实验： 评估振动和冲击对器件参数非线性特性的影响。 动态标定： 在实际或模拟的载体运动轨迹下进行动态标定，识别与运动状态相关的非线性参数。 高精度参数识别算法： 针对建立的非线性模型和采集的数据，研究和开发高效、鲁棒的参数识别算法。这可能涉及： 基于优化的方法： 例如，利用Levenberg-Marquardt算法、梯度下降法等，将参数识别转化为一个优化问题。 基于滤波的方法： 将参数视为状态变量，利用扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等算法进行实时或离线参数估计。 模型约简与逼近： 对于极其复杂的非线性模型，研究模型降阶或采用泰勒展开等方法进行近似，降低辨识计算复杂度。 3. 参数评估的验证与在线补偿 独立数据集验证： 利用独立的测试数据集，对识别出的非线性模型参数进行验证，评估其准确性和有效性。 导航性能评估： 将识别出的参数应用于惯导系统的解算中，通过与真实轨迹或高精度参考轨迹进行比较，量化参数补偿对导航精度的提升效果。 在线参数更新与补偿： 研究如何在惯导系统工作过程中，实时更新部分参数（如温度依赖性参数），并将其集成到导航滤波中，实现在线的非线性误差补偿。 性能分析与讨论： 对参数识别的精度、收敛性、计算复杂度以及对导航性能的影响进行详细分析，讨论不同方法在实际应用中的优劣。 研究方法与技术路线 本研究将采用理论分析、数值仿真与实验验证相结合的研究方法。 理论分析： 深入研究激光陀螺和加速度计的物理工作原理，推导和建立各种非线性误差的数学模型。 数值仿真： 在Matlab/Simulink等仿真平台，搭建高精度激光陀螺惯导系统的仿真模型，用于验证参数识别算法的有效性和对导航性能的影响。 实验平台搭建： 利用高精度多轴转台、恒温箱、振动台等设备，搭建一套完善的惯导系统参数标定与评估实验平台。 数据采集与处理： 针对设计的实验方案，精确采集激光陀螺、加速度计的原始数据，并进行必要的预处理。 算法实现与优化： 将研究的参数识别算法集成到标定软件中，并根据实验结果进行优化。 性能评估： 通过与高精度参考系统（如GPS/INS组合导航系统）进行比对，对优化后的惯导系统性能进行全面评估。 预期成果 1. 一套完善的高精度激光陀螺惯导系统非线性误差模型库： 包含针对不同非线性误差源的详细数学描述。 2. 一系列高效、鲁棒的非线性模型参数识别算法： 能够准确、快速地识别出激光陀螺惯导系统中的关键非线性参数。 3. 一套系统化的参数评估与验证流程： 包括实验设计、数据采集、算法应用及性能评估等环节。 4. 显著提升高精度激光陀螺惯导系统的导航定位精度和可靠性： 通过实验验证，证明所提方法在实际应用中的有效性。 5. 为相关领域的工程应用提供理论指导和技术支撑： 促进高精度惯导技术在更广阔领域的推广和应用。 结论 高精度激光陀螺惯性导航系统的非线性模型参数评估是一项复杂而具有挑战性的课题。本研究的深入开展，将有助于克服当前惯导系统在面对复杂动态环境和长期自主工作时的精度瓶颈，为实现更高级别的自主导航定位能力提供关键技术支撑。通过构建精确的非线性模型，发展有效的参数识别与验证方法，并最终将其应用于实际系统中，我们有信心能够显著提升激光陀螺惯导系统的整体性能，满足未来更苛刻的导航定位需求。

评分☆☆☆☆☆

对于我这种主要负责系统集成和测试验证的工程师来说，选择技术书籍往往取决于其“可验证性”和“可复现性”。这本书在这两点上做得非常出色。作者在介绍每一种参数评估方法时，都会提供清晰的步骤描述和必要的理论背景，使得读者可以很容易地设计出相应的实验来验证这些方法在特定硬件平台上的有效性。我注意到，书中对于“系统辨识”和“数据驱动建模”的平衡把握得非常好。在惯导领域，完全的理论建模往往因为制造公差和环境影响而变得不切实际，因此依赖现场数据进行参数修正至关重要。这本书强调的自适应参数调整策略，正是弥补理论与实际之间鸿沟的关键。它不是给你一个静态的参数列表，而是提供了一套动态调整的“哲学”和“方法”。这种强调系统“健康监测”和“持续优化”的理念，非常符合当前装备维护保障的智能化发展趋势。读完后，我感觉自己对如何构建一个具有自我诊断和修正能力的惯导子系统，有了清晰的路线图。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书时，我最大的期待是能找到一些对当前主流惯导系统（尤其是基于激光陀螺的）的内在局限性进行深入剖析的视角，而不是仅仅停留在“如何让它工作得更好”的层面。令人欣喜的是，该书在探讨参数评估方法的同时，实际上也巧妙地揭示了该类系统的固有缺陷是如何通过模型参数的偏差而被放大的。它没有回避激光陀螺在极端温度变化、高过载环境下的灵敏度漂移问题，而是将这些现象归因于具体的、可量化的模型参数。我个人对其中关于“卡尔曼滤波扩展与无迹变换”的结合应用印象深刻。这种处理非线性系统的思路，比传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）在精度保持上要稳健得多，尤其是在惯导系统这种状态变量变化剧烈、且误差项具有强相关性的场景中。这本书的语言风格偏向于严谨的学术论述，对于习惯了快速阅读工程手册的读者来说，可能需要投入更多精力去消化那些数学表达，但这种深度是值得的，它让你真正理解参数“为什么”是那个值，而不仅仅是“如何计算”那个值。它为我们提供了一种更深层次的理解框架。

评分☆☆☆☆☆

这本关于高精度激光陀螺惯导系统的著作，从一个纯粹的工程应用视角来看，给我留下了极为深刻的印象。它并没有过多地纠缠于那些晦涩难懂的理论基础，而是直奔主题，聚焦于实际系统运行中那些最让人头疼的问题——参数的精确评估。市面上很多同类书籍要么是过于偏重于数学推导，让人在实际操作中无从下手；要么就是停留在概念介绍层面，缺乏可操作性的方法论。而这本书的独特之处在于，它清晰地阐述了一套完整的、针对非线性模型的参数评估流程。我特别欣赏其中关于“噪声特性辨识”那几个章节，作者没有采用那种一刀切的线性化处理，而是深入挖掘了激光陀螺在不同工作状态下，其内部误差源的非线性耦合关系。这对于我们进行更高精度的导航定位来说，无疑是提供了宝贵的工具箱。特别是它介绍的基于迭代优化和鲁棒统计的融合算法，非常贴合现代传感器数据处理的趋势，读起来让人感觉紧跟前沿，而不是在啃食过时的知识。我尝试将书中的某些方法应用到我们一个旧型号的IMU升级项目中，初步结果显示，系统长时间运行的漂移率得到了显著改善。总而言之，这是一本面向实际问题、方法论扎实的工程技术参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的阅读体验，可以描述为从一个宏观的系统结构图，逐步下钻到微观的误差源分析，最后再提升到高效的参数求解。它在结构组织上非常有条理，仿佛在引导读者进行一次由浅入深的“解剖”工作。我尤其欣赏它在处理“耦合误差”时的系统性方法。激光陀螺和加速度计之间的相互影响，在非线性模型中体现得尤为复杂，单纯地分别处理往往会引入新的误差。而该书提出的一体化参数辨识框架，有效地将这些相互作用纳入同一个优化目标函数中进行求解，极大地提高了整体估计的准确性。这种整体优化的思想，是这本书区别于许多只关注单一传感器优化的传统文献的关键点。此外，书中对不同评估算法（如梯度下降、最小二乘迭代等）在收敛速度和精度上的对比分析，非常务实，直接解决了工程师在选择算法时最关心的效率问题。它帮助我们权衡了计算复杂度和最终导航精度之间的最佳平衡点。

评分☆☆☆☆☆

老实说，最初拿起这本专业性极强的著作时，我有些担心其内容会过于陈旧或晦涩。然而，该书对于“非线性模型”的处理，展现出了令人耳目一新的现代视角。它不再将非线性视为一个需要被线性化掉的“麻烦”，而是将其视为系统真实特性的重要组成部分。书中对高阶误差项的建模和参数化处理，体现了作者对激光陀螺物理机理的深刻理解。比如，书中关于“随机游走”和“角速率随机游走”的参数如何通过长期漂移数据精确捕获，并通过特定的频率域分析方法进行分离，这部分内容极为精妙。这套方法论不仅适用于惯导系统，其背后的数据分析思想，对于处理其他精密测量仪器中的低频噪声和随机误差也具有极高的借鉴价值。这本书无疑是一部具有高度专业水准和前瞻性的参考资料，它不仅解决了“如何做”的问题，更重要的是，它解释了“为什么这样做”才是最科学和最有效的路径。