捷联惯导系统姿态算法比较

姿态算法是捷联惯导系统算法中的一个重要组成部分，解算姿态阵相当于建立起数学平台，其精度对捷联惯导系统的精度影响很大。该文就实际应用，对欧拉角法、方向余弦法、四元数算法、罗德利格参数法、优化旋转矢量算法及一种改进的递推旋转矢量算法做了分析，并在典型圆锥运动输入下，对后五种算法进行了仿真，为姿态算法的研究提供了参考。     

四元数在惯性导航中的应用

在惯性导航系统中,用于姿态定位和控制的方法通常有三种:欧拉角法,方向余弦法,四元数法。比起前两种方法,四元数法具有明显的优点:方程不退化,数目较少,形式是线性的,特别在姿态变换算法中使用方便。     

基于四元数自适应卡尔曼滤波的快速对准算法

针对捷联惯导初始对准问题,提出了一种具有干扰抑制能力的四元数自适应卡尔曼滤波初始对准算法。通过将初始对准问题转化为Wahba姿态确定问题,直接建立四元数的滤波模型,并采用自适应卡尔曼滤波对初始时刻姿态四元数进行估计,利用姿态四元数更新求出当前姿态来实时地反映载体的姿态变化。针对直接构建量测模型导致收敛速度慢的问题,提出一种基于最优四元数估计法构造K矩阵原理的改进算法。利用三轴转台模拟不同的摇摆环境进行实验,转台实验表明了改进算法具有较快的收敛速度和良好的稳定性及精度,中等精度的惯导系统在150s至200s的对准时间内,航向角均值误差小于2'。     

基于最优控制的四元数据误差传播捷联矩阵算法分析

捷联系统中的比力、角速率的量测值都是沿船舶坐标系的，如欲求得船舶位置和姿态就应知道其在当地地理坐标系中的投影。无论从计算速度还是从计算精度上考虑，用四元数法得到捷联短阵比其他方法更为有利。该就四元数计算所引起的误差及其传播方式与四元数向量的正交计算进行了讨论，从而获得了一种捷联矩阵算法。     

舰载导弹捷联系统姿态及初始对准算法的研究

舰载导弹自动驾驶仪是一个强实时姿态控制系统，姿态控制除了满足对精度的要求外，还要求具有很强的实时性。本文主要研究了舰载．导弹捷联系统的姿态和初始对准算法中姿态矩阵的求解、实时计算等问题。对欧拉角法、四元数微分方程法以及四元数递推法进行了详细的推导和计算机仿真。结果表明：四元数违推法在实时性和计算精度方面优于其它两种方法。     

多矢量定姿的SVD和QUEST算法等价性分析

针对姿态确定的Wahba问题,证明了姿态矩阵的奇异值分解(SVD)算法与三种四元数特征向量求解(QUEST)算法之间的等价性,给出了一种快速奇异值分解算法,其计算量接近于传统的ESOQ2快速算法,对几种算法进行了仿真验证。理论分析和仿真实验表明,就当前计算机的运算能力而言,各种算法之间的数值计算精度和计算量并无显著差别,均可满足实际使用需求。对于多矢量定姿或捷联惯导的惯性系初始对准问题,建议采用姿态矩阵优化和奇异值求解的方法进行描述,更加简洁和直观。     

一种改进的高动态捷联惯导解算算法

针对高动态环境下较大的不可交换误差难以精确补偿的问题,提出了一种改进的等效旋转矢量三子样多回路迭代姿态解算算法.首先分析了高动态环境给捷联惯导系统带来的影响,阐述了捷联解算的基本过程;然后对比分析了几种主要的姿态解算算法,针对一般算法难以较好地补偿不可交换误差问题,在旋转矢量多子样二次迭代优化算法的基础上,从提高解算精度和减小计算复杂度两方面进行考虑,研究了一种改进的等效旋转矢量三子样多回路迭代算法;最后,对改进的算法的性能进行了深入的分析.实验结果表明,在低动态条件下改进的算法和毕卡四元数法姿态解算精度相当,在高动态条件下其精度较毕卡四元数提高约3个数量级.     

单目视觉下基于对偶四元数的卫星姿态的确定

在航天器姿态动力学和机器视觉理论基础上,提出一种新的卫星姿态确定的算法。单目相机作为观测设备,用对偶四元数以及几何透视投影法,将从星3D姿态参数转换为2D照片平面参数。最后,将表征坐标变换的对偶四元数中的位移和旋转分量以及运动角速度和线速度作为状态量,2D坐标参数作为观测值,建立滤波器,得到了表示相对运动的对偶四元数的估计值。在30s内的仿真结果证明了对偶四元数在表示刚体运动变换时的优越性,为从星姿态测量找到一个更有工程应用价值的方法。     

基于加性四元数误差方程的惯性/天文姿态组合算法

针对采用旋转四元数误差进行的组合导航误差建模中状态方程的非线性化问题,提出一种新的惯性/天文组合姿态组合算法,以姿态加性四元数误差和陀螺漂移为状态变量,推导系统线性化状态方程,并以天文导航和惯导姿态四元数之差为量测量,建立系统量测方程,然后利用卡尔曼滤波实现对该组合模式的信息融合,仿真分析表明,所设计的基于姿态四元数误差和陀螺漂移的组合模式能够有效估计系统状态误差,姿态误差0.02°左右,验证了其有效性,可避免较为复杂的非线性滤波器的使用,为工程实践提供了理论支持.     

捷联惯导晃动基座四元数估计对准算法

针对捷联惯导晃动基座下的初始对准问题,提出了一种基于四元数估计(QUEST)的抗干扰对准算法。将惯性系对准方法中,求取初始姿态阵的问题转化为基于观测矢量确定载体姿态的Wahba问题,利用四元数估计算法得到最小二乘意义下载体初始姿态的最优四元数解。阐述了四元数估计算法的基本原理,详细给出了基于四元数估计算法的捷联惯导晃动基座对准方案。进行了车载实验,实验结果表明:四元数估计对准算法姿态角误差的收敛速度优于双矢量定姿对准算法,同时可进一步提高对准精度。经120 s对准后,水平姿态误差在5″以内,航向误差在1.3′以内。