高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究 [Research on the Estimation of Nonlinear Model Parameters for High-Precision Ring Laser Gyro Inertial Navigation Systems] 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:

• 惯性导航
• 激光陀螺
• 非线性模型
• 参数估计
• 高精度
• 误差分析
• 卡尔曼滤波
• 系统建模
• 导航技术
• 姿态估计

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118102680

版次：1

商品编码：11956329

包装：平装

丛书名： 国防科学技术大学惯性技术实验室优秀博士学位论文丛书

外文名称：Research on the Estimation of Nonlinear Model Parameters for High-Precision Ring Laser Gy

内容简介

　　《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，《高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究》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，《高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究》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。

目录

第1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性交叉耦合项误差机理
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

前言/序言

高精度激光陀螺惯性导航系统非线性模型参数评估方法研究 前言 惯性导航系统（INS）是实现自主导航的核心技术，其精度直接决定了平台在复杂环境下的定位、定向和授时能力。高精度激光陀螺（RLG）因其零偏稳定性高、动态特性好等优点，已成为新一代惯性导航系统的关键传感器。然而，RLG作为一种精密测量仪器，其输出信号不可避免地受到多种非线性因素的影响，如频率抖动、热漂移、机械振动、安装误差等。这些非线性效应的存在，使得传统线性模型难以准确描述RLG的真实工作特性，从而严重制约了惯导系统的整体精度。因此，深入研究RLG非线性模型参数的精确评估方法，对于提升高精度惯导系统的性能具有至关重要的意义。 研究背景与意义 惯性导航系统的工作原理是基于牛顿第二定律，通过测量载体的加速度和角速度，结合初始状态信息，积分求解出载体的位置、速度和姿态。其中，陀螺仪作为测量角速度的关键部件，其测量精度直接决定了姿态和角速度积分的准确性，进而影响到位置和速度的解算精度。激光陀螺，特别是光纤陀螺和环形激光陀螺，以其出色的零偏稳定性和低噪声特性，在航空、航天、军事、海洋等领域得到了广泛应用。 然而，无论是光纤陀螺还是环形激光陀螺，其输出信号都并非完美的线性关系。例如，在环形激光陀螺中，由于受到光束在腔内传播的非线性效应（如光场畸变、腔内介质非线性效应等）、机械结构的热胀冷缩、振动冲击以及安装误差等因素的影响，其输出频率与实际角速度之间会存在复杂的非线性偏差。这些非线性偏差如果得不到有效补偿，在惯导系统长时间工作过程中会积累起来，导致系统误差急剧增大，最终影响导航精度。 传统的惯导系统参数评估方法大多基于线性模型，即假设陀螺仪的输出与角速度之间存在简单的线性关系，并在此基础上对零偏、比例系数等参数进行标定。这种方法在低精度陀螺仪上或许能够取得一定的效果，但对于高精度激光陀螺而言，其非线性特性如果不加处理，将会引入不可忽视的误差。因此，针对高精度激光陀螺的非线性模型进行深入研究，并开发有效的参数评估方法，是实现高精度惯导系统自主稳定运行的迫切需求。 研究内容概述 本研究旨在系统性地解决高精度激光陀螺惯性导航系统非线性模型参数的精确评估难题。研究将围绕以下几个核心方面展开： 1. 高精度激光陀螺非线性模型构建与分析： 深入剖析RLG工作原理，梳理影响其输出特性的关键非线性因素。 这将包括但不限于：腔内光场传播的非线性效应（如Sagnac效应的非线性修正项、光强依赖性等）、腔体材料的热膨胀与收缩引起的尺寸变化、振动和冲击对腔体稳定性的影响、传感器自身固有的噪声特性（如散粒噪声、散弹噪声等）、安装方式和平台的相对运动所带来的附加效应。 建立多尺度、多物理场耦合的RLG非线性数学模型。 考虑到不同非线性因素的影响机理和作用尺度，需要综合运用数学物理、电磁场理论、材料力学、热力学等理论知识，构建一个能够全面反映RLG真实工作状态的复杂模型。模型将考虑传感器各个子系统的耦合效应，例如温度变化如何影响腔体尺寸，进而影响输出频率；振动如何引起腔体失谐，导致零偏和尺度因子不稳定。 对建立的非线性模型进行理论分析与仿真验证。 通过对模型进行数学推导和数值仿真，深入理解模型中各参数的物理意义，以及它们对RLG输出特性的具体影响规律。这将为后续的参数评估方法奠定理论基础。 2. 非线性模型参数评估方法研究： 系统梳理现有参数估计理论与技术。 回顾和分析经典的参数估计方法，如最小二乘法、最大似然估计、卡尔曼滤波及其变种（如扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波等），并评估其在非线性系统参数估计方面的优势与不足。 创新与改进非线性参数评估算法。 针对RLG非线性模型的特点，设计或改进适用于高精度惯导系统的非线性参数评估算法。这可能包括： 基于数据驱动的机器学习方法： 探索利用神经网络、支持向量机、高斯过程回归等机器学习技术，直接从大量的传感器数据中学习非线性模型参数，无需显式构建复杂的物理模型。 优化理论与算法的应用： 结合非线性优化算法，如梯度下降法、拟牛顿法、粒子群优化、遗传算法等，通过迭代求解来寻优模型参数，以最小化测量误差或模型预测误差。 混合建模方法： 考虑将物理模型与数据驱动模型相结合，利用物理模型提供先验知识，数据驱动模型捕捉未建模的非线性特性，实现更鲁棒和精确的参数估计。 多传感器融合下的参数评估： 研究如何在高精度惯导系统整体框架下，利用其他辅助导航传感器（如GPS、星敏感器、磁力计等）的数据，为RLG非线性模型参数的评估提供额外信息，提高参数估计的准确性和收敛性。 考虑参数辨识的实时性与鲁棒性。 评估方法需要具备一定的实时性，能够适应惯导系统在动态环境下的工作需求。同时，参数估计结果需要对传感器噪声、测量误差以及环境扰动具有一定的鲁棒性。 3. 实验平台搭建与方法验证： 设计并搭建高精度RLG惯导系统实验平台。 平台需要能够模拟真实的导航场景，并具备对RLG输出进行高精度采集的能力。同时，需要引入可控的非线性激励源（如特定频率和幅度的振动、温度变化等），以验证所提方法的有效性。 开展系列实验，采集RLG数据。 在不同工作状态和环境条件下，采集RLG的原始输出数据。 运用所提出的非线性参数评估方法对实验数据进行处理。 对比不同评估方法的性能，分析参数估计的精度、收敛速度、鲁棒性等指标。 评估所提方法对惯导系统整体导航精度的提升效果。 通过将参数评估结果应用于惯导系统的姿态、位置和速度解算，量化其对导航精度的实际贡献。 研究的创新点与预期贡献 本研究的潜在创新点可能体现在： 构建更精细、更全面的RLG非线性模型： 深入挖掘RLG工作过程中被忽视的非线性因素，并将其融入模型，提高模型对真实物理过程的描述能力。 提出新颖有效的非线性参数评估算法： 结合先进的信号处理、机器学习、优化控制等技术，开发出针对RLG非线性模型参数的、具有高精度、强鲁棒性和良好实时性的评估方法。 实现参数评估与惯导系统精度提升的闭环反馈： 不仅关注参数评估本身，更注重评估结果如何直接、有效地改善惯导系统的导航性能。 本研究的预期贡献包括： 理论层面： 丰富和发展了高精度惯性导航系统建模与参数辨识的理论体系。 技术层面： 提供一套切实可行的高精度RLG非线性模型参数评估技术，为相关工程应用提供技术支撑。 应用层面： 显著提升高精度激光陀螺惯性导航系统的导航精度和可靠性，为无人驾驶、深海探测、精确制导等国家战略领域提供关键技术保障。 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研究是一项复杂但意义重大的课题。通过系统性地构建非线性模型、创新参数评估方法并进行严格的实验验证，有望显著突破当前惯导系统精度的瓶颈，为实现更高级别的自主导航能力奠定坚实的基础。本研究将为相关领域的科学研究和工程应用提供宝贵的理论和技术支持。

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这本书的书名《高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究》本身就足够吸引人了。作为一名对惯性导航技术，尤其是激光陀螺领域有浓厚兴趣的读者，我一直渴望深入了解其背后的复杂机制。现代惯导系统，特别是高精度的，其性能的发挥很大程度上取决于模型参数的准确性。然而，我也深知，这些系统的模型往往是非线性的，这意味着传统的线性参数估计方法可能难以胜任，甚至会引入显著误差。因此，能够找到一本专注于“非线性模型参数评估方法”的研究，无疑是一件令人振奋的事情。我非常期待书中能够详细阐述针对激光陀螺特有的非线性特性，提出切实有效的参数辨识与评估技术。我特别关注书中是否会介绍一些前沿的优化算法，例如基于AI的深度学习方法，或者更经典的但经过改进的卡尔曼滤波变种，用以处理高精度惯导系统中的噪声、漂移以及其他各种干扰因素。同时，我也好奇书中会采用何种实验数据和仿真环境来验证其提出的方法，是理论推导为主，还是结合了大量的实际测试数据？这些细节决定了该研究的理论深度和工程实用性，我迫切希望书中能提供清晰的解答，并为我构建一个高精度激光陀螺惯导系统模型提供一套完善的理论框架和实践指导。

评分☆☆☆☆☆

《高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究》这个书名，光是听起来就让人感受到其科学性和技术深度。作为一个对精密测量技术和导航定位系统充满热情的研究者，我一直关注着激光陀螺在惯导领域的应用进展。虽然激光陀螺以其高精度和高稳定性著称，但任何一个真实的物理系统都无法避免误差的存在，特别是对于追求极致精度的应用场景，理解和量化这些误差至关重要。非线性模型参数的评估，正是解决这一问题的关键所在。我特别好奇书中会如何处理激光陀螺的非线性特性。是仅仅停留在描述性分析，还是会提出一套可量化、可实现的评估算法？我期待书中能够提供一些具体的算法实例，最好是能够与实际的工程应用相结合，比如在航空航天、海洋探测或者无人驾驶等领域。书中对于“高精度”的定义和评估标准是否也会有明确的阐述？是否会涉及一些先进的数学工具或统计方法来处理模型参数的不确定性和动态变化？我对书中能否为读者提供一套完整的工具箱，使得我们能够更深入地理解激光陀螺惯导系统的内在机制，并在此基础上进行更精准的建模和更优化的控制，充满了期待。

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坦白说，初次看到这本书的书名，我的第一反应是其内容的专业性可能会比较强，可能会涉及大量的数学公式和复杂的算法推导。这对于我这样并非专业背景出身，但又对惯性导航系统抱有强烈好奇心的读者来说，是一个潜在的挑战。然而，正是这种挑战让我更加期待。我希望这本书不仅仅是停留在理论层面，而是能以一种相对易懂的方式，将高精度激光陀螺惯导系统非线性模型的复杂性层层剥开。我特别希望能从书中了解到，为何激光陀螺的惯导系统模型会呈现非线性特征，以及这些非线性因素具体体现在哪些方面，例如传感器自身的非线性响应，或者集成在系统中的其他辅助传感器（如加速度计）的非线性误差。我更期待书中能够针对这些非线性因素，提出一套系统性的参数评估流程。这套流程最好能结合实际应用场景，比如无人机、高精度测量设备或者导弹制导等，展示如何通过实际数据来辨识和修正这些非线性参数，从而提升系统的整体导航精度和鲁棒性。如果书中能提供一些图示、流程图或者伪代码，来直观地展示算法的实现过程，那将是极大的福音，能帮助我这样的读者更好地理解和消化这些专业知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，无疑触及了惯性导航领域的一个核心且极具挑战性的问题——高精度激光陀螺惯导系统的非线性模型参数评估。作为一名在惯性导航领域摸爬滚打多年的工程师，我深知参数的准确性是决定惯导系统性能的关键，而激光陀螺由于其特殊的物理原理和工作机制，往往会引入一系列复杂的非线性误差项，这使得模型的建立和参数的辨识变得异常困难。我非常期待本书能够深入探讨这些非线性误差的来源，比如温度、振动、角速度等环境因素对陀螺输出的影响，以及这些影响如何体现在非线性模型中。更重要的是，我迫切希望书中能够提供一套系统、严谨且具有创新性的参数评估方法。这套方法需要能够有效地处理这些非线性特性，并且在实际应用中能够达到“高精度”的要求。我希望作者能够分享在实际工程项目中遇到的挑战，以及如何通过理论研究和实验验证来解决这些问题。书中是否会涉及数据融合技术，如何将激光陀螺的测量数据与其他传感器（如磁力计、GPS）进行有效融合，以补偿和修正非线性误差，也是我非常关注的方面。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书名《高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究》的关注，很大程度上源于我对激光陀螺技术在惯性导航领域巨大潜力的认知，以及对当前技术瓶颈的好奇。激光陀螺凭借其固有的高精度和长寿命，在许多严苛的应用场景中展现出了无可替代的优势。然而，我们都知道，任何传感器都存在误差，而对于追求“高精度”的惯导系统而言，非线性的误差模型及其参数的准确评估，是实现理论精度转化为实际性能的关键。我非常期待这本书能够深入剖析激光陀螺系统中的非线性误差来源，例如可能存在的零偏漂移的非线性变化、敏感轴的耦合效应、或者外部环境因素（如温度、压力、振动）对陀螺输出的非线性影响。更重要的是，我希望书中能够提出一套行之有效的、具有创新性的非线性参数评估方法。这套方法最好能够具备良好的鲁棒性，能够应对真实世界数据中的噪声和干扰，并且在计算效率上也要有所考量，以便于工程实现。我期望书中能提供详实的理论推导，辅以清晰的数学公式，并最好能包含一些具体的案例分析，展示如何利用这些方法来优化激光陀螺惯导系统的导航精度和可靠性，从而推动相关领域的技术进步。