高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究 [Research on the Estimation of Nonlinear Model Parameters for High-Precision Ring Laser Gyro Inertial Navigation Systems] 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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楊傑，練軍想，吳文啓 著

圖書標籤:

• 慣性導航
• 激光陀螺
• 非綫性模型
• 參數估計
• 高精度
• 誤差分析
• 卡爾曼濾波
• 係統建模
• 導航技術
• 姿態估計

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118102680

版次：1

商品編碼：11956329

包裝：平裝

叢書名： 國防科學技術大學慣性技術實驗室優秀博士學位論文叢書

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

內容簡介

　　《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數估計方法研究》針對長航時航海導航和航空重力測量的高精度激光陀螺慣導係統，買現瞭石英撓性加速度計μg量級的參數標定精度。
　　根據石英撓性加速度計不同的誤差特性，分彆建立瞭加速度計組件的綫性測量模型和不同誤差特性的非綫性測量模型。針對加速度計組件不同的測量模型，《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究》提齣瞭三種詳細的標定算法，分彆為基於轉動矢量觀測的參數分立標定算法，基於重力值觀測的參數分立標定算法，基於姿態自主測量的參數係統級標定算法。在此基礎上，《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究》還給齣瞭高精度慣導係統參數標定精度綜閤驗證和評估的有效方法。作者對書中涉及的重要模型和算法進行瞭嚴格的理論推導，並給齣瞭大量詳細的工程實例，可為慣性導航專業工程師和在校研究生提供有益的參考和指導。

目錄

第1章 緒論
1．1 研究動機
1．2 基礎準備
1．2．1 慣導係統參數估計
1．2．2 慣性器件溫度誤差模型參數估計
1．2．3 慣導係統狀態估計可觀性分析
1．3 本書擬解決的主要問題
1．4 本書的主要內容和研究成果

第2章 溫變環境中高精度激光陀螺非綫性溫度誤差模型參數估計
2．1 激光陀螺標定參數溫度漂移誤差形成機理
2．1．1 激光陀螺標度因數溫度漂移誤差形成機理
2．1．2 激光陀螺零偏溫度漂移誤差形成機理
2．2 激光陀螺標定參數溫度誤差對慣性導航姿態解算精度影響分析
2．2．1 激光陀螺角增量測量誤差溫度參數模型
2．2．2 激光陀螺標定參數溫度誤差對姿態解算精度影響分析
2．3 激光陀螺標度因數溫度誤差特性實驗研究
2．3．1 實驗對象
2．3．2 試驗方案
2．3．3 實驗結果
2．4 激光陀螺零偏溫度誤差特性實驗研究
2．4．1 實驗對象
2．4．2 實驗方案
2．4．3 靜態溫度誤差參數模型試驗
2．4．4 動態溫度誤差參數模型實驗
2．4．5 激光陀螺測試電路溫度實驗
2．5 本章小結

第3章 基於激光陀螺組件輔助姿態測量的高精度石英撓性加速度計組件非綫性模型參數估計
3．1 石英撓性加速度計非綫性誤差特性機理分析
3．1．1 石英撓性加速度計非綫性脈衝測量模型
3．1．2 石英撓性加速度計非綫性交叉耦閤項誤差機理
3．2 石英撓性加速度計非綫性誤差對慣性導航解算性能分析
3．2．1 北嚮通道誤差傳播規律
3．2．2 東嚮通道誤差傳播規律
3．3 石英撓性加速度計組件非綫性模型參數的兩步估計算法
3．3．1 基於激光陀螺組件敏感軸方嚮約束的機體坐標係定義
3．3．2 激光陀螺組件和石英撓性加速度計組件的測量模型
3．3．3 慣性組閤非綫性測量模型參數的標定
3．3．4 實驗結果及驗證分析
3．3．5 參數標定精度及誤差分析
3．3．6 結論
3．4 航海導航應用中石英撓性加速度計組件非綫性模型參數標定
3．4．1 一種改進的石英撓性加速度計組件非綫性測量模型
3．4．2 石英撓性加速度計組件非綫性模型參數的迭代估計算法
3．4．3 石英撓性加速度計組件非綫性項誤差的實時補償
3．4．4 非綫性模型參數迭代估計算法仿真驗證
3．4．5 非綫性模型參數迭代估計算法實驗驗證
3．4．6 結論
3．5 石英撓性加速度計組件非綫性模型參數係統級標定
3．5．1 相關坐標係定義
3．5．2 石英撓性加速度計組件非綫性係統級參數標定模型
3．5．3 石英撓性加速度計組件非綫性模型參數的係統級標定
3．5．4 石英撓性加速度計組件係統級參數標定仿真驗證
3．5．5 結論
3．6 本章小結

第4章 重力場內高精度石英撓性加速度計組件非綫性模型參數估計
4．1 石英撓性加速度計組件綫性模型參數的迭代估計算法
4．1．1 石英撓性加速度計組件綫性脈衝測量模型
4．1．2 無姿態基準條件下加速度計組件綫性模型參數一步估計算法
4．1．3 無姿態基準條件下加速度計組件綫性模型參數迭代估計算法
4．1．4 兩種無姿態基準參數估計算法的優化觀測編排
4．1．5 基於仿真分析的兩種無姿態基準標定算法性能比較
4．2 考慮二次平方項誤差的非綫性模型參數的迭代估計算法
4．2．1 考慮二次平方項誤差的加速度計組件非綫性脈衝測量模型
4．2．2 考慮二次平方項誤差的非綫性模型參數迭代估計算法
4．2．3 二次平方項係數優化觀測位置編排
4．2．4 迭代標定算法仿真驗證
4．3 考慮交叉耦閤項誤差的非綫性模型參數的迭代估計算法
4．3．1 考慮交叉耦閤項誤差的加速度計組件非綫性脈衝測量模型
4．3．2 考慮交叉耦閤項誤差的非綫性模型參數迭代估計算法
4．3．3 交叉耦閤項係數優化觀測編排
4．3．4 迭代標定算法仿真驗證
4．4 重力場空間加速度計組件參數標定與模型優化選擇的實驗驗證
4．5 本章小結

第5章 溫變環境中高精度石英撓性加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數估計
5．1 石英撓性加速度計溫度誤差形成機理及對慣性導航解算性能分析
5．1．1 石英撓性加速度計錶頭溫度誤差形成機理分析
5．1．2 石英撓性加速度計標定參數溫度誤差對慣性導航解算性能分析
5．2 轉動矢量連續觀測下加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數標定
5．2．1 石英撓性加速度計組件熱平衡過程分析
5．2．2 石英撓性加速度計組件熱參數的比力積分增量綫性測量模型
5．2．3 溫變環境中加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數的標定
5．2．4 基於特殊卡爾曼濾波算法的非綫性溫度誤差模型參數估計
5．2．5 係統冷啓動過程中非綫性溫度誤差模型參數標定結果及驗證
5．2．6 結論
5．3 重力值連續觀測下加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數標定
5．3．1 一種新的石英撓性加速度計組件非綫性溫度參數模型
5．3．2 基於重力值連續觀測的石英撓性加速度計組件熱參數標定
5．3．3 恒溫環境中激光陀螺組件和加速度計組件相對姿態參數標定
5．3．4 恒溫環境中加速度計組件尺寸效應參數標定
5．3．5 石英撓性加速度計組件熱參數標定結果及實驗驗證
5．3．6 石英撓性加速度計組件尺寸效應參數標定結果及實驗驗證
5．3．7 結論
5．4 基於迭代估計的加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數外場標定
5．4．1 石英撓性加速度計組件非綫性溫度參數外場標定模型
5．4．2 基於迭代估計的非綫性溫度誤差模型參數外場標定算法
5．4．3 加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數優化觀測編排
5．4．4 加速度計組件非綫性溫度誤差模型參數外場標定結果及驗證
5．4．5 結論
5．5 本章小結

第6章 初始位置未知環境中慣導係統非綫性模型參數估計
6．1 初始位置未知條件下慣導係統的多位置對準算法
6．1．1 初始位置未知的解析粗對準算法
6．1．2 初始位置未知的多組位置轉動精對準算法
6．2 初始位置已知條件下慣導係統多位置對準可觀性
6．3 初始位置未知條件下慣導係統多位置對準可觀性
6．3．1 PWCS可觀性分析的充分條件
6．3．2 修正的PWCS可觀性分析方法
6．4 初始位置未知條件下慣導係統多位置對準仿真和實驗
6．4．1 仿真驗證
6．4．2 實驗驗證
6．5 本章小結

第7章 總結和展望
7．1 本書總結
7．2 研究展望
參考文獻

前言/序言

高精度激光陀螺慣性導航係統非綫性模型參數評估方法研究 前言 慣性導航係統（INS）是實現自主導航的核心技術，其精度直接決定瞭平颱在復雜環境下的定位、定嚮和授時能力。高精度激光陀螺（RLG）因其零偏穩定性高、動態特性好等優點，已成為新一代慣性導航係統的關鍵傳感器。然而，RLG作為一種精密測量儀器，其輸齣信號不可避免地受到多種非綫性因素的影響，如頻率抖動、熱漂移、機械振動、安裝誤差等。這些非綫性效應的存在，使得傳統綫性模型難以準確描述RLG的真實工作特性，從而嚴重製約瞭慣導係統的整體精度。因此，深入研究RLG非綫性模型參數的精確評估方法，對於提升高精度慣導係統的性能具有至關重要的意義。 研究背景與意義 慣性導航係統的工作原理是基於牛頓第二定律，通過測量載體的加速度和角速度，結閤初始狀態信息，積分求解齣載體的位置、速度和姿態。其中，陀螺儀作為測量角速度的關鍵部件，其測量精度直接決定瞭姿態和角速度積分的準確性，進而影響到位置和速度的解算精度。激光陀螺，特彆是光縴陀螺和環形激光陀螺，以其齣色的零偏穩定性和低噪聲特性，在航空、航天、軍事、海洋等領域得到瞭廣泛應用。 然而，無論是光縴陀螺還是環形激光陀螺，其輸齣信號都並非完美的綫性關係。例如，在環形激光陀螺中，由於受到光束在腔內傳播的非綫性效應（如光場畸變、腔內介質非綫性效應等）、機械結構的熱脹冷縮、振動衝擊以及安裝誤差等因素的影響，其輸齣頻率與實際角速度之間會存在復雜的非綫性偏差。這些非綫性偏差如果得不到有效補償，在慣導係統長時間工作過程中會積纍起來，導緻係統誤差急劇增大，最終影響導航精度。 傳統的慣導係統參數評估方法大多基於綫性模型，即假設陀螺儀的輸齣與角速度之間存在簡單的綫性關係，並在此基礎上對零偏、比例係數等參數進行標定。這種方法在低精度陀螺儀上或許能夠取得一定的效果，但對於高精度激光陀螺而言，其非綫性特性如果不加處理，將會引入不可忽視的誤差。因此，針對高精度激光陀螺的非綫性模型進行深入研究，並開發有效的參數評估方法，是實現高精度慣導係統自主穩定運行的迫切需求。 研究內容概述 本研究旨在係統性地解決高精度激光陀螺慣性導航係統非綫性模型參數的精確評估難題。研究將圍繞以下幾個核心方麵展開： 1. 高精度激光陀螺非綫性模型構建與分析： 深入剖析RLG工作原理，梳理影響其輸齣特性的關鍵非綫性因素。 這將包括但不限於：腔內光場傳播的非綫性效應（如Sagnac效應的非綫性修正項、光強依賴性等）、腔體材料的熱膨脹與收縮引起的尺寸變化、振動和衝擊對腔體穩定性的影響、傳感器自身固有的噪聲特性（如散粒噪聲、散彈噪聲等）、安裝方式和平颱的相對運動所帶來的附加效應。 建立多尺度、多物理場耦閤的RLG非綫性數學模型。 考慮到不同非綫性因素的影響機理和作用尺度，需要綜閤運用數學物理、電磁場理論、材料力學、熱力學等理論知識，構建一個能夠全麵反映RLG真實工作狀態的復雜模型。模型將考慮傳感器各個子係統的耦閤效應，例如溫度變化如何影響腔體尺寸，進而影響輸齣頻率；振動如何引起腔體失諧，導緻零偏和尺度因子不穩定。 對建立的非綫性模型進行理論分析與仿真驗證。 通過對模型進行數學推導和數值仿真，深入理解模型中各參數的物理意義，以及它們對RLG輸齣特性的具體影響規律。這將為後續的參數評估方法奠定理論基礎。 2. 非綫性模型參數評估方法研究： 係統梳理現有參數估計理論與技術。 迴顧和分析經典的參數估計方法，如最小二乘法、最大似然估計、卡爾曼濾波及其變種（如擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波等），並評估其在非綫性係統參數估計方麵的優勢與不足。 創新與改進非綫性參數評估算法。 針對RLG非綫性模型的特點，設計或改進適用於高精度慣導係統的非綫性參數評估算法。這可能包括： 基於數據驅動的機器學習方法： 探索利用神經網絡、支持嚮量機、高斯過程迴歸等機器學習技術，直接從大量的傳感器數據中學習非綫性模型參數，無需顯式構建復雜的物理模型。 優化理論與算法的應用： 結閤非綫性優化算法，如梯度下降法、擬牛頓法、粒子群優化、遺傳算法等，通過迭代求解來尋優模型參數，以最小化測量誤差或模型預測誤差。 混閤建模方法： 考慮將物理模型與數據驅動模型相結閤，利用物理模型提供先驗知識，數據驅動模型捕捉未建模的非綫性特性，實現更魯棒和精確的參數估計。 多傳感器融閤下的參數評估： 研究如何在高精度慣導係統整體框架下，利用其他輔助導航傳感器（如GPS、星敏感器、磁力計等）的數據，為RLG非綫性模型參數的評估提供額外信息，提高參數估計的準確性和收斂性。 考慮參數辨識的實時性與魯棒性。 評估方法需要具備一定的實時性，能夠適應慣導係統在動態環境下的工作需求。同時，參數估計結果需要對傳感器噪聲、測量誤差以及環境擾動具有一定的魯棒性。 3. 實驗平颱搭建與方法驗證： 設計並搭建高精度RLG慣導係統實驗平颱。 平颱需要能夠模擬真實的導航場景，並具備對RLG輸齣進行高精度采集的能力。同時，需要引入可控的非綫性激勵源（如特定頻率和幅度的振動、溫度變化等），以驗證所提方法的有效性。 開展係列實驗，采集RLG數據。 在不同工作狀態和環境條件下，采集RLG的原始輸齣數據。 運用所提齣的非綫性參數評估方法對實驗數據進行處理。 對比不同評估方法的性能，分析參數估計的精度、收斂速度、魯棒性等指標。 評估所提方法對慣導係統整體導航精度的提升效果。 通過將參數評估結果應用於慣導係統的姿態、位置和速度解算，量化其對導航精度的實際貢獻。 研究的創新點與預期貢獻 本研究的潛在創新點可能體現在： 構建更精細、更全麵的RLG非綫性模型： 深入挖掘RLG工作過程中被忽視的非綫性因素，並將其融入模型，提高模型對真實物理過程的描述能力。 提齣新穎有效的非綫性參數評估算法： 結閤先進的信號處理、機器學習、優化控製等技術，開發齣針對RLG非綫性模型參數的、具有高精度、強魯棒性和良好實時性的評估方法。 實現參數評估與慣導係統精度提升的閉環反饋： 不僅關注參數評估本身，更注重評估結果如何直接、有效地改善慣導係統的導航性能。 本研究的預期貢獻包括： 理論層麵： 豐富和發展瞭高精度慣性導航係統建模與參數辨識的理論體係。 技術層麵： 提供一套切實可行的高精度RLG非綫性模型參數評估技術，為相關工程應用提供技術支撐。 應用層麵： 顯著提升高精度激光陀螺慣性導航係統的導航精度和可靠性，為無人駕駛、深海探測、精確製導等國傢戰略領域提供關鍵技術保障。 結論 高精度激光陀螺慣性導航係統的非綫性模型參數評估研究是一項復雜但意義重大的課題。通過係統性地構建非綫性模型、創新參數評估方法並進行嚴格的實驗驗證，有望顯著突破當前慣導係統精度的瓶頸，為實現更高級彆的自主導航能力奠定堅實的基礎。本研究將為相關領域的科學研究和工程應用提供寶貴的理論和技術支持。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書名《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究》的關注，很大程度上源於我對激光陀螺技術在慣性導航領域巨大潛力的認知，以及對當前技術瓶頸的好奇。激光陀螺憑藉其固有的高精度和長壽命，在許多嚴苛的應用場景中展現齣瞭無可替代的優勢。然而，我們都知道，任何傳感器都存在誤差，而對於追求“高精度”的慣導係統而言，非綫性的誤差模型及其參數的準確評估，是實現理論精度轉化為實際性能的關鍵。我非常期待這本書能夠深入剖析激光陀螺係統中的非綫性誤差來源，例如可能存在的零偏漂移的非綫性變化、敏感軸的耦閤效應、或者外部環境因素（如溫度、壓力、振動）對陀螺輸齣的非綫性影響。更重要的是，我希望書中能夠提齣一套行之有效的、具有創新性的非綫性參數評估方法。這套方法最好能夠具備良好的魯棒性，能夠應對真實世界數據中的噪聲和乾擾，並且在計算效率上也要有所考量，以便於工程實現。我期望書中能提供詳實的理論推導，輔以清晰的數學公式，並最好能包含一些具體的案例分析，展示如何利用這些方法來優化激光陀螺慣導係統的導航精度和可靠性，從而推動相關領域的技術進步。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究》本身就足夠吸引人瞭。作為一名對慣性導航技術，尤其是激光陀螺領域有濃厚興趣的讀者，我一直渴望深入瞭解其背後的復雜機製。現代慣導係統，特彆是高精度的，其性能的發揮很大程度上取決於模型參數的準確性。然而，我也深知，這些係統的模型往往是非綫性的，這意味著傳統的綫性參數估計方法可能難以勝任，甚至會引入顯著誤差。因此，能夠找到一本專注於“非綫性模型參數評估方法”的研究，無疑是一件令人振奮的事情。我非常期待書中能夠詳細闡述針對激光陀螺特有的非綫性特性，提齣切實有效的參數辨識與評估技術。我特彆關注書中是否會介紹一些前沿的優化算法，例如基於AI的深度學習方法，或者更經典的但經過改進的卡爾曼濾波變種，用以處理高精度慣導係統中的噪聲、漂移以及其他各種乾擾因素。同時，我也好奇書中會采用何種實驗數據和仿真環境來驗證其提齣的方法，是理論推導為主，還是結閤瞭大量的實際測試數據？這些細節決定瞭該研究的理論深度和工程實用性，我迫切希望書中能提供清晰的解答，並為我構建一個高精度激光陀螺慣導係統模型提供一套完善的理論框架和實踐指導。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名，無疑觸及瞭慣性導航領域的一個核心且極具挑戰性的問題——高精度激光陀螺慣導係統的非綫性模型參數評估。作為一名在慣性導航領域摸爬滾打多年的工程師，我深知參數的準確性是決定慣導係統性能的關鍵，而激光陀螺由於其特殊的物理原理和工作機製，往往會引入一係列復雜的非綫性誤差項，這使得模型的建立和參數的辨識變得異常睏難。我非常期待本書能夠深入探討這些非綫性誤差的來源，比如溫度、振動、角速度等環境因素對陀螺輸齣的影響，以及這些影響如何體現在非綫性模型中。更重要的是，我迫切希望書中能夠提供一套係統、嚴謹且具有創新性的參數評估方法。這套方法需要能夠有效地處理這些非綫性特性，並且在實際應用中能夠達到“高精度”的要求。我希望作者能夠分享在實際工程項目中遇到的挑戰，以及如何通過理論研究和實驗驗證來解決這些問題。書中是否會涉及數據融閤技術，如何將激光陀螺的測量數據與其他傳感器（如磁力計、GPS）進行有效融閤，以補償和修正非綫性誤差，也是我非常關注的方麵。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，初次看到這本書的書名，我的第一反應是其內容的專業性可能會比較強，可能會涉及大量的數學公式和復雜的算法推導。這對於我這樣並非專業背景齣身，但又對慣性導航係統抱有強烈好奇心的讀者來說，是一個潛在的挑戰。然而，正是這種挑戰讓我更加期待。我希望這本書不僅僅是停留在理論層麵，而是能以一種相對易懂的方式，將高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型的復雜性層層剝開。我特彆希望能從書中瞭解到，為何激光陀螺的慣導係統模型會呈現非綫性特徵，以及這些非綫性因素具體體現在哪些方麵，例如傳感器自身的非綫性響應，或者集成在係統中的其他輔助傳感器（如加速度計）的非綫性誤差。我更期待書中能夠針對這些非綫性因素，提齣一套係統性的參數評估流程。這套流程最好能結閤實際應用場景，比如無人機、高精度測量設備或者導彈製導等，展示如何通過實際數據來辨識和修正這些非綫性參數，從而提升係統的整體導航精度和魯棒性。如果書中能提供一些圖示、流程圖或者僞代碼，來直觀地展示算法的實現過程，那將是極大的福音，能幫助我這樣的讀者更好地理解和消化這些專業知識。

評分☆☆☆☆☆

《高精度激光陀螺慣導係統非綫性模型參數評估方法研究》這個書名，光是聽起來就讓人感受到其科學性和技術深度。作為一個對精密測量技術和導航定位係統充滿熱情的研究者，我一直關注著激光陀螺在慣導領域的應用進展。雖然激光陀螺以其高精度和高穩定性著稱，但任何一個真實的物理係統都無法避免誤差的存在，特彆是對於追求極緻精度的應用場景，理解和量化這些誤差至關重要。非綫性模型參數的評估，正是解決這一問題的關鍵所在。我特彆好奇書中會如何處理激光陀螺的非綫性特性。是僅僅停留在描述性分析，還是會提齣一套可量化、可實現的評估算法？我期待書中能夠提供一些具體的算法實例，最好是能夠與實際的工程應用相結閤，比如在航空航天、海洋探測或者無人駕駛等領域。書中對於“高精度”的定義和評估標準是否也會有明確的闡述？是否會涉及一些先進的數學工具或統計方法來處理模型參數的不確定性和動態變化？我對書中能否為讀者提供一套完整的工具箱，使得我們能夠更深入地理解激光陀螺慣導係統的內在機製，並在此基礎上進行更精準的建模和更優化的控製，充滿瞭期待。