题目：巡飞器微型航姿测量系统关键技术研究

摘 要巡飞器是一种能够嵌入多种运载平台的新概念飞行器。航向姿态角（航向角、滚转角和俯仰角）作为飞行控制系统的重要参数，对巡飞器实现弹机转换并完成预定任务起着至关重要的作用。随着微机电系统（Micro Electromechanical System，MEMS）制造技术的发展，基于MEMS惯性传感器及其组合的微型航姿测量系统以其在体积、质量和功耗等方面的突出优势，已在无人飞行器上得到了广泛应用，自然也是巡飞器的必由选择。微型航姿测量系统的主要传感器如MEMS陀螺仪、MEMS加速度计和磁传感器的精度较低，且易受工作环境温度、载体振动以及空间电磁场干扰等因素的影响，不可避免地会导致系统航向姿态角测量精度的下降。如何改进和提高系统测量精度是当前微型航姿测量系统研究的核心问题，也是制约其在巡飞器上使用的主要技术瓶颈之一。本论文主要围绕巡飞器微型航姿测量系统研制过程中涉及的弹机转换动力学建模、微型航姿测量系统总体设计及其传感器系统误差无依托校准、高动态环境下基于角速度输入的捷联姿态更新、扰动加速度干扰下自适应卡尔曼滤波器设计等几个关键问题进行了深入研究。仿真、跑车及模拟飞行试验证明了本文改进方法的有效性，本论文完成的主要研究工作和取得的主要研究成果如下：1. 综合运用降落伞动力学、多刚体动力学、空气动力学等理论，分别建立了巡飞器稳定下降段和改平段的6自由度动力学模型，并给出了对应的运动方程。基于实测风场数据构建了无风、平均风和复合风三种风场模型，分析了三种风场对弹机转换过程中巡飞器各项运动参数（包括位置、姿态、速度、加速度和角速度） 的影响，为合理确定微型航姿测量系统总体设计参数以及拟定时序控制策略提供了必要的参考依据。2. 结合巡飞器微型航姿测量系统具体的任务需求，设计开发了用于航向姿态角测量的硬件、软件平台。针对捷联三轴地磁/加速度传感器系统误差在非实验室条件下难以现场校准的问题，提出一种利用几何变换实现捷联三轴地磁/加速度传感器无依托一体化校准的方法。该方法将校准过程转化为将椭球面还原成圆球面的几何变换过程，使得校准参数由15个减少到9个，并采用基于粒子群初始值选取和牛顿法局部加速收敛的混合粒子群优化算法逼近几何变换参数的最优值，实现误差校准参数的快速求解，从而完成传感器系统误差的全姿态校准。试验证明与传统校准方法相比，该方法无需外部辅助设备，具备非实验室条件下全姿态校准能力。3. 针对巡飞器在高动态环境下，现有姿态更新解算存在不可交换误差，姿态更新频率较低的问题，提出一种基于角速度输入的滑动三周期旋转矢量姿态更新算法。该方法首先以单周期法作启动，此后连续利用三个采样周期的陀螺角速度输出值递推解算出当前时刻巡飞器航向姿态角对应的四元数，以此实现捷联姿态即时更新。算法所具有的递推形式便于数字处理器做实时信号处理。典型圆锥运动仿真试验表明，该方法与四元数四阶龙格库塔法、三子样旋转矢量法、单周期旋转矢量法和三周期旋转矢量法相比，在姿态更新解算精度和更新频率两方面均具有显著优势。 4. 为解决微型航姿测量系统在巡飞器存在长时间和突变扰动加速度干扰条件下航向姿态角估计发散的问题，提出了一种基于扰动加速度当前统计模型的自适应扩展卡尔曼滤波算法（Current Statistical Model Perturbing Acceleration Adaptive Extend Kalman Filter,简记为CS-PAEKF）。该滤波算法以一次函数为隶属函数自适应地调整扰动加速度的估计方差，同时根据残差引入渐消因子矩阵，从各个状态变量通道动态调节滤波器的增益，提高了滤波器的估计精度和自适应性。动态跑车试验证明CS-PAEKF滤波算法能够有效抑制长时间和突变扰动加速度的干扰，模拟飞行试验表明该算法在动态飞行环境下亦具有较好的解算精度和实时性。 综上所述，论文的研究成果适用于巡飞器动态测姿系统的研制，对于解决其它载体（如机器人、车辆、舰船等）的定位测姿问题也有一定参考价值。 关键词：巡飞器，微型航姿测量系统，动力学模型，无依托校准，扰动加速度