研究目标研究内容拟解决的关键问题

研究目标、研究内容、拟解决的关键问题

1 .研究目标

本项目期望解决极区惯性导航算法存在的相关问题，以满足大飞机极区惯性导航算法的需求。

2 .研究内容

游移方位惯导力学编排虽然在极区无法输出定位和定向信息，但是仍然可以完成位置方向余弦矩阵和姿态方向余弦矩阵的正常解算而不损失计算精度，所以惯导是执行极区导航的理想选择。极区无法定位主要是由于极区经线向极点收敛引起的，而地球上的极点是人为定义的，只要摒弃原来经纬线的定义，让经纬线不收敛于地理极点就可以避免经线收敛引起的定位困难。同样，若摒弃以经线作为航向参考基准，采用平行于本初子午线的平行线作为航向参考就可以避免经线收敛引起的定向困难。本项目通过分析传统惯导力学编排方案的缺陷，设计三种适合极区导航的惯导力学编排方案。

主要研究内容有：

1）传统惯导力学编排方案在极区工作的缺陷及极区轨迹发生器设计。

①通过对传统游移方位惯导系统力学编排的分析，得到游移方位惯导系统力学编排在高纬度地区或极区存在的问题，建立相应的误差同纬度间的关系，并给出游移方位惯导系统力学编排的纬度适用范围。

②研究飞机在极区飞行轨迹的生成方法，为极区导航算法的仿真分析提供基础。

2）极区平面惯性导航力学编排及性能分析。

①借鉴平面惯性导航的力学编排并考虑极区的特殊性推导出适合极区应用的平面惯性导航的力学编排公式，推导极区平面导航坐标系内的飞机定位和定向的计算方法。考虑地球曲面影响，推导飞机位置变化引起重力倾斜的补偿算法公式。

②仿真比较分析地球模型是圆球模型和椭球模型时的极区平面导航性能的差异。

3）极区横向惯性导航力学编排及性能分析。

①建立伪地理坐标系，推导横向地球坐标与正常地球坐标意义下的各种参数的转换关系以及横向惯性导航的力学编排公式。

②仿真比较分析地球模型是圆球模型和椭球模型时的极区横向导航性能的差异。

4）格网惯性导航力学编排及误差性能分析。

①推导格网导航坐标系同当地地理坐标系的转换关系，推导格网航向角的计算公式并推导格网航向同真北航向、风向、磁航向、航迹角及偏流角之间的关系。

②推导格网导航坐标系下惯性导航的力学编排，分析并推导格网导航误差方程。针对地球模型是圆球模型和椭球模型的情况仿真比较分析地球模型对格网导航性能的影响。

5）研究进出极区导航模式切换时系统参数的转换算法以及精度分析。

3.拟解决的关键问题

①平面导航算法中在推导飞机位置变化引起重力倾斜的补偿算法公式时对重力倾斜进行补偿。

②推导格网航向角的计算公式时计算格网航向角。

③格网导航坐标系下飞机地理位置的计算。

④导航坐标系切换时导航参数的转换。

拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析、研究计划及预期进展

1 .研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析

本申请项目研究方法以理论分析和方案设计为主。方案有效性通过计算机数值仿真验证。仿真过程尽量接近实际系统的工作方式，如：捷联惯性组件的输出全部假定为增量形式。描述系统模型的微分方程全部采用四阶龙格库塔法求解，并将其作为评定导航精度时的理论参考值。捷联惯导系统解算按照真实的导航解算过程完成，即：姿态解算采用等效旋转矢量多子样算法，并考虑圆锥误差、划桨误差和涡卷误差补偿的优化算法。仿真平台顶层结构分为：极区轨迹发生器模块、导航模式切换模块和导航解算模块。整个仿真系统如图6所示。

图6仿真平台顶层结构图

仿真系统中轨迹发生器产生载机的理想运动状态及惯性器件输出，导航模式切换模块根据飞机进入极区和退出极区纬度设定值与飞机当前纬度位置判断应当执行极区导航模式还是正常导航模式并对导航模式切换过程中的导航参数进行转换，导航解算模块根据导航模式判断结果执行对应的导航解算程序，导航参数转换模块将导航解算参数转换到同轨迹发生器产生的导航参数相同的坐标系内。导航误差可作为评价各导航模式性能的参考。

由于极区地理环境无法在实验室模拟，极区惯性导航算法无法在实验室条件下通过试验验证。因此采用大量的仿真算法对极区惯性导航算法进行仿真分析验证。另一方面极区惯性导航算法不仅适用于极区导航解算同样适用于非极区导航解算，因此可以考虑通过在非极区的车载试验或机载试验对设计的极区惯性导航算法进行跑车试验或机载试验，以期验证所设计的算法的正确性。

2 .研究计划及预期进展

研究计划大致安排如下：

(1) 2012.3-2012.5

研究指北方位惯导力学编排和游移方位惯导力学编排在高纬度地区工作存在的问题，在计算机上编制极区飞行轨迹并生成相应的惯性器件数据；

(2) 2012.6-2012.9

推导极区平面惯性导航力学编排公式，仿真并分析极区平面惯性导航的性能；

(3) 2012.10-2013.1

根据格网航向特点，推导格网导航力学编排及导航误差方程，仿真并分析极区格网导航的性能；

(4) 2013.2-2013.3

设计极区导航模式和非极区导航模式切换方案，仿真并分析切换方案性能；

(5) 2013.4-2013.5

整理文档、编写项目总结报告，准备结题验收。

在项目进行期间拟发表学术相关论文2-3篇，参加学术会议1-2次。