高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究 杨杰,练军想,吴文启 978711810 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
• 控制理论
• 系统辨识
• 误差分析
• 导航技术
• 滤波算法

店铺： 书逸天下图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118102680

商品编码：29376334169

包装：平装

出版时间：2016-07-01

基本信息

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

定价：50.00元

作者：杨杰,练军想,吴文启

出版社：国防工业出版社

出版日期：2016-07-01

ISBN：9787118102680

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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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。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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高精度激光陀螺惯性导航系统中的关键参数评估技术 惯性导航系统（INS）作为一种独立自主的导航方式，在军事、航空航天、海洋测绘、自动驾驶等众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（如陀螺仪和加速度计）来测量载体的运动状态（位置、速度、姿态），并通过积分运算实现导航。在众多惯性传感器中，激光陀螺以其高精度、宽动态范围、长寿命等优势，在高精度惯性导航系统中得到了广泛应用。然而，惯性导航系统的精度高度依赖于系统中各传感器的参数精度。激光陀螺作为惯导系统的核心部件，其内部参数的准确评估对于实现系统的高性能至关重要。 本文将聚焦于高精度激光陀螺惯性导航系统中非线性模型参数评估方法的研究，深入探讨如何准确、高效地辨识和补偿影响系统精度的关键参数。我们将从激光陀螺的工作原理出发，剖析其输出信号的非线性特性，并在此基础上，系统性地介绍用于参数评估的理论方法和实践技术。 一、 激光陀螺工作原理及其非线性模型 激光陀螺（RLG）利用萨格纳克效应（Sagnac Effect）来测量角速率。当激光束在环形腔内传播时，如果陀螺发生旋转，沿顺时针和逆时针方向传播的激光束会产生相位差，这个相位差与陀螺的角速率成正比。这种比例关系是理想情况下的线性模型。 然而，在实际的高精度激光陀螺中，由于制造工艺、材料特性以及工作环境等多种因素的影响，其输出信号与实际角速率之间并非严格的线性关系。这些非线性效应主要体现在以下几个方面： 1. 零偏（Bias）和漂移（Drift）： 即使在静止状态下，激光陀螺也会产生一个固定的输出值，称为零偏。零偏会随时间、温度、机械应力等因素发生变化，表现为漂移。零偏是影响陀螺精度的最主要因素之一。 2. 比例因子误差（Scale Factor Error）： 激光陀螺的输出幅值与实际角速率的比例关系存在偏差，即比例因子不准确。这个比例因子也可能受到温度等因素的影响而变化。 3. 非线性失真： 实际的输出信号与角速率之间可能存在高阶的非线性关系，例如二次、三次甚至更高次的失真。这些非线性失真在小角速率和接近极限角速率时尤为显著。 4. 颤振（Dither）： 为了克服锁定效应（Lock-in Effect），即在低角速率下，由于腔内反射损耗导致两束激光的频率差趋于零，激光陀螺通常会引入颤振。颤振本身会引入额外的振动成分，导致输出信号的复杂化。 5. 其他噪声和误差源： 例如，振动噪声、温度梯度引起的误差、电源电压波动等，也都会对激光陀螺的输出产生影响，并可能与角速率之间表现出非线性耦合。 理解并准确建模这些非线性效应，是实现激光陀螺高精度导航的基础。 二、 非线性模型参数评估的理论方法 为了精确评估激光陀螺的非线性模型参数，需要发展一套系统性的理论方法。这些方法的核心在于利用已知输入（如精确的角速率参考信号）或通过系统辨识技术，反演出模型中的未知参数。 1. 基于参考信号的参数辨识： 静态辨识： 在受控的实验室环境中，通过给激光陀螺施加精确已知且稳定的角速率（例如，使用高精度转台），并同时测量其输出，可以建立一系列测量方程。通过对这些方程进行最小二乘拟合或其他优化方法，可以直接辨识出零偏、比例因子等静态参数。 动态辨识： 引入动态激励，例如模拟实际导航过程中可能遇到的各种角运动（如正弦、方波、复合运动等），可以更全面地捕捉激光陀螺的动态非线性特性。通过对测量数据进行时域或频域分析，结合非线性模型，可以辨识出参数的动态变化规律，如参数随温度的变化率、参数的频率响应特性等。 2. 基于导航系统整体性能的参数辨识： 惯导系统对准和标定： 在惯导系统的初始对准过程中，通常会进行一系列的标定操作。通过将惯导系统与外部已知参考（如GPS、星光导航系统）进行比对，可以反演出惯导系统中各传感器的参数误差，包括激光陀螺的非线性参数。 外部参考比对法： 将搭载激光陀螺惯导系统的载体在已知轨迹或受控环境下进行运动，并与高精度的外部参考导航系统（如GPS/INS组合导航）进行比对。通过对导航误差的分析，可以回溯并估计出惯导系统内部参数的偏差。这种方法尤其适用于评估那些在实际工作环境中才会暴露出的参数。 卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其变种： 卡尔曼滤波是处理随机信号和状态估计的强大工具。在惯导系统参数标定中，可以构建一个扩展的卡尔曼滤波（EKF）或无迹卡尔曼滤波（UKF）的状态方程，将激光陀螺的非线性参数作为待估计的状态变量。通过融合惯导系统的测量信息和外部参考信息，滤波过程可以实时地估计并更新这些参数。 3. 模型构建与参数辨识的联合优化： 非线性模型建立： 首先，需要基于激光陀螺的物理原理和观测到的现象，建立一个能够充分描述其非线性特性的数学模型。这个模型可能包含一系列待辨识的参数，例如多项式系数、指数函数系数、温度系数等。 参数优化算法： 针对构建的非线性模型，需要选择合适的参数优化算法。常用的算法包括： 最小二乘法（Least Squares）： 适用于模型线性或可线性化的场景。 非线性最小二乘法（Nonlinear Least Squares）： 直接求解非线性模型的参数。 梯度下降法（Gradient Descent）： 迭代优化参数以最小化目标函数。 牛顿法（Newton's Method）及其变种： 利用海森矩阵（Hessian Matrix）来加速收敛。 全局优化算法（Global Optimization Algorithms）： 如遗传算法（Genetic Algorithm）、粒子群优化（Particle Swarm Optimization）等，在避免局部最优方面具有优势，适用于参数空间复杂的场景。 三、 激光陀螺惯性导航系统非线性模型参数评估的实践技术 在实际应用中，参数评估需要结合理论方法和有效的实验手段。 1. 高精度转台与测试环境： 精密转台： 构建或选用具备高精度和稳定性的角速率发生器（转台）是进行激光陀螺参数辨识的基础。转台的角速率输出精度、稳定性、分辨率以及动态响应能力直接影响到辨识结果的可靠性。 温度控制： 激光陀螺的参数对温度非常敏感。因此，需要提供稳定的温度环境，或精确测量和记录温度变化，以便辨识出温度相关的参数。 振动与冲击隔离： 外部振动和冲击会引入额外的噪声和误差，影响参数辨识的精度。需要采取有效的隔振和减震措施。 2. 数据采集与预处理： 高采样率数据采集： 激光陀螺的输出数据需要以足够高的采样率进行采集，以捕捉其动态特性。 噪声滤波： 采集到的数据可能包含各种噪声，需要根据噪声特性选择合适的滤波算法（如低通滤波、中值滤波等）进行预处理，以提高信噪比。 数据同步： 如果进行联合辨识，需要确保所有测量数据的精确同步。 3. 标定流程与策略： 离线标定： 在系统出厂前或定期维护时，在实验室环境中进行全面的参数标定。 在线标定： 在系统工作过程中，利用惯导系统自身的观测数据以及与外部参考的比较，实时或半实时地更新和补偿部分参数。 分层标定： 根据参数对系统性能的影响程度和变化规律，可以采用分层标定策略。例如，首先辨识出零偏和比例因子等主要参数，然后在此基础上再辨识更高阶的非线性参数。 4. 模型精度评估与验证： 残差分析： 通过将辨识出的模型与实际测量数据进行比较，分析模型预测值与真实值之间的残差，评估模型的拟合程度。 独立验证： 使用一组未参与参数辨识的独立测试数据，来验证辨识出的参数和模型是否具有良好的泛化能力和预测精度。 导航性能仿真： 将辨识出的参数代入导航仿真模型，评估其对惯导系统整体导航精度的影响。 四、 非线性参数评估对惯导系统性能的影响 准确评估和补偿激光陀螺的非线性模型参数，对于提升高精度惯性导航系统的整体性能具有决定性意义： 1. 提高导航精度： 非线性误差是导致惯导系统随时间累积误差的主要根源之一。精确补偿这些误差，可以显著降低位置、速度和姿态的误差漂移率，从而大幅度提高导航精度，特别是在长时间导航或GPS信号丢失的区域。 2. 拓展工作范围： 很多非线性效应在低角速率或高角速率时尤为突出。准确的参数补偿可以使激光陀螺在更宽的动态范围内保持高精度，满足不同应用场景的需求。 3. 增强系统的鲁棒性： 准确的参数模型有助于提高惯导系统对环境变化（如温度、振动）的适应能力，增强系统的鲁棒性。 4. 实现更精确的自主导航： 在对GPS依赖性强的应用中，惯导系统的高精度和长时间自主导航能力至关重要。非线性参数的精确评估是实现这一点的前提。 结论 高精度激光陀螺惯性导航系统的性能，在很大程度上取决于对其核心部件——激光陀螺的非线性模型参数的准确评估。本文系统性地介绍了激光陀螺的工作原理、非线性模型及其参数评估的理论方法和实践技术。通过构建精准的非线性模型，并结合先进的参数辨识算法和高精度的实验测试手段，可以有效地辨识和补偿影响系统精度的关键参数。这项研究不仅为提升当前惯导系统的性能提供了技术支撑，也为未来更高精度、更可靠的惯性导航系统的设计和应用奠定了坚实的基础。随着技术的发展，对激光陀螺非线性模型参数的深入研究，必将推动惯性导航技术在更广泛、更苛刻的领域中发挥更大的作用。

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当我第一次注意到这本书的封面（虽然我并没有看到封面，但我会想象）时，“高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究”这个书名立刻吸引了我的目光。我平时就对那些能够让事物“动起来”并且“精确”地动的技术很感兴趣，比如机器人、无人机，甚至是太空探索中的导航系统。激光陀螺和惯性导航系统，在我看来，就是这些精密机械背后最核心的“大脑”和“感官”。尤其是“高精度”这三个字，总是能勾起我对极致性能的向往，也让我好奇，究竟需要什么样的技术才能达到如此高的精度。而“非线性模型参数评估方法研究”，这部分听起来就非常有技术含量，意味着作者们深入到了一个非常具体且具有挑战性的研究领域。我猜测，在实际应用中，惯导系统难免会受到各种不确定因素的影响，产生各种“非线性”的行为，如何准确地评估和修正这些非线性参数，直接关系到系统的最终精度。这本书的标题承诺了对这一核心问题的深入探讨，这让我对作者们的研究成果充满了期待，希望能从中学习到解决这类复杂问题的科学方法和技术思路。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我刚看到这本书的名字时，有点望而却步。杨杰、练军想、吴文启这几位作者的名字，我虽然不熟悉，但“高精度激光陀螺惯导系统非线性模型参数评估方法研究”这个标题，就足以说明这本书的专业性和技术深度了。我的专业背景可能和这个领域相去甚远，平时接触的更多是比较通俗的科普读物，或者是一些大众化的科技新闻。但是，我对探索未知、了解新事物的热情从未减退。我一直认为，即便是非常专业的书籍，只要我们带着一颗学习的心去阅读，总能从中汲取到有价值的信息。而且，这本书的 ISBN 号码是978711810，这通常意味着它是一本经过出版体系正规审核、内容严谨的书籍。所以我相信，虽然里面的专业术语可能很多，但只要我肯花时间和精力去钻研，也许就能窥探到惯性导航系统核心技术的冰山一角，了解那些看似神秘的“非线性模型”究竟是怎么回事，以及作者们是如何去“评估”这些模型的参数的。这对我来说，本身就是一种挑战和学习的过程。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字听起来就非常硬核，而且是关于惯性导航系统这种尖端技术的，一下子就激起了我的好奇心。我一直对那些能够让飞行器、潜艇在没有外部信号的情况下精确导航的技术非常着迷。尤其是“高精度激光陀螺”，这个词就充满了科技感，我脑海里会浮现出那些在实验室里闪烁着神秘光芒的精密仪器，以及工程师们夜以继日攻克技术难题的场景。虽然我对激光陀螺的内部构造和工作原理知之甚少，但我能想象到，要达到“高精度”这三个字，背后一定包含了多少复杂的数学模型、精密的工程设计和无数次的实验验证。而“惯导系统”又是如何将这些高精度的陀螺组合起来，形成一个完整的、能够自主判断方向和位置的智能系统，这更是让我觉得不可思议。书名中的“非线性模型参数评估方法研究”，听起来就不是一个容易啃的骨头，这说明作者在深入研究某个具体的技术难题，并且提出了自己的解决方案，这让我更加期待这本书的内容，希望能从中学习到一些前沿的知识，理解其中蕴含的科学原理。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，坦白讲，让我产生了极大的学习欲望，同时也伴随着一丝丝的敬畏。毕竟，“高精度激光陀螺惯导系统”本身就是一个非常尖端、非常专业的领域，而“非线性模型参数评估方法研究”更是直指问题的核心，暗示了作者们在进行一项具有深度和难度的科研工作。我一直认为，理解这些复杂技术背后的原理，是推动科技进步的关键。我想象着，在日常生活中，我们可能很难直接接触到激光陀螺这种精密仪器，也很难体会到惯导系统在各种极端环境下工作的挑战。但是，正是有了这些背后默默付出的研究者们，才有了我们如今享受到的各种先进技术。这本书的出现，就像一扇窗户，让我有机会去了解这个我原本知之甚少的领域。我希望能够通过阅读这本书，哪怕是初步地理解，惯导系统是如何做到在没有GPS的情况下也能保持高精度的，以及作者们提出的“非线性模型参数评估方法”究竟是什么样的。这不仅仅是对科学知识的渴求，更是对那些为科技发展做出贡献的科研人员的一种致敬。

评分☆☆☆☆☆

当我偶然看到这本书的名字时，内心深处那种对科技前沿的好奇心瞬间被点燃了。坦白说，我对于“高精度激光陀螺惯导系统”这个概念，虽然略有耳闻，但对其深层次的原理和实现细节并不了解，它在我脑海中呈现的是一种充满未来感和精密度的技术图景。想到它可能在航空航天、国防军事、甚至未来的自动驾驶等领域扮演着至关重要的角色，我就充满了求知欲。而“非线性模型参数评估方法研究”这个副标题，则进一步揭示了这本书的价值所在，它并非停留在概念介绍的层面，而是深入到了解决实际问题的关键环节。这让我猜测，作者们可能在面对惯导系统在复杂动态环境下出现的各种非线性误差时，提出了创新的解决方案。我特别期待这本书能够为我揭示，这些“非线性模型”是如何被构建出来的，以及如何通过有效的“参数评估”来提高整个系统的精度和鲁棒性。这对我而言，不仅是一次学习专业知识的机会，更是对精密测量和控制领域一次深刻的探索。