加速度计误差模型补偿在方位捷联平台惯性导航系统中的应用

—方位捷联平台惯性导航系统的导弹在发射初段有大过载存在，加速度计误差模型项中的平方项和立方项将造成很大误差。补偿前后的导航结果表明，补偿后的导航计算更接近外测数值。因此，加速度计误差项的补偿对提高导弹的导航精度有重要意义。     

一种新的加速度计温度误差补偿方法

惯性导航系统实际工作时,环境温度变化会导致IMU的惯性器件加速度计的工作温度变化,其零偏和标度因子因此也会发生变化,最终影响惯性导航系统的初始对准和导航精度.通过两级温度控制,在水平和垂直位置对加速度计进行定点升温试验,利用最小二乘法建立起了加速度计的温度补偿模型.在自然升温和降温过程中,进行加速度计的温度补偿,验证了模型的准确性和重复性.     

空天飞行器SINS/CNS深组合导航算法(英文)

空天飞行器往返于大气层内外,持续工作时间长。捷联惯性/天文组合导航自主性强、隐蔽性好,是最适合空天飞行器的导航方式之一。为提高传统天文定位的导航精度和可靠性,解决其在机载应用中水平基准制约的问题,分析了平台误差角和位置误差对高度角量测的影响,提出了一种以天体高度角为量测信息的捷联惯性/天文深组合导航算法。该算法采用卡尔曼滤波器进行最优估计,可有效估计并补偿系统的姿态误差,减少天文导航定位对水平基准的依赖。仿真表明,单星观测条件下,导航系统姿态误差快速收敛,定位的均方根误差在200 m以内,且系统导航性能随导航星数量的增加而提高。     

空间稳定系统加速度计在线标校

三轴加速度计是惯性导航系统的核心元件之一,其误差对导航精度具有重要影响。提出一种适用于空间稳定系统的加速度计在线标校方法。在三轴加速度计十二系数误差模型基础上,推导比力的模误差与加速度计误差系数之间的关系式。设计一个五维静态Kalman滤波器进行加速度计组合误差系数的在线标定,并讨论了加速度计组合误差的补偿方法。计算机仿真和多组试验结果表明:采用所提方法,空间稳定系统加速度计误差的标校精度达到1×10-5g量级,所用加速度计的长期稳定性优于1.5×10-5g,对实现高精度导航具有实用价值。     

挠性陀螺平台式惯导系统的弹性速率补偿

众所周知,采用挠性陀螺的平台式惯导系统,由于平台系统不可避免地存在失调角,使陀螺产生了同轴和交轴漂移,这项误差直接影响了系统的导航精度,必须进行补偿。本文详细分析了失调角产生的原因及其补偿的必要性,给出了补偿同轴和交轴漂移(简称弹性速率补偿)的模拟和数字补偿方案,分析了各种方案的优缺点。两种方案都经过试验验证,补偿效果明显,同轴和交轴漂移可以补偿到0.01°/h,对提高导航精度具有实用价值。     

石英挠性加速度计温度建模和补偿

为降低环境温度对石英挠性加速度计测量精度的影响,从工程应用角度设计了加速度计温度建模试验环境和试验方法.为加速度计设计独立的温控装置,验证了加速度计温度特性具有重复性的基础上,在多个温度点下采用四位置翻滚试验对加速度计进行标定,利用线性拟合方法建立了加速度计零偏和标度因数的温度模型.应用该模型对加速度计进行温度补偿后,可使加速度计的测量稳定性精度提高5.55倍.将所建温度模型应用于捷联式惯性导航系统中,可有效提高系统的导航精度.     

安装误差角引起的加速度计旋转误差建模

在导航过程中惯性平台绕方位轴旋转能够有效地调制陀螺的常值漂移,但加速度计安装坐标系和陀螺安装坐标系的不重合会导致加速度计零偏也被调制为一个变化量,因此需要建立其旋转误差模型进行补偿。针对平台惯导台体绕方位轴旋转时加速度计误差补偿的实际需要,建立加速度计由初始安装误差角引起的旋转误差模型。模型主要针对旋转过程中由初始安装误差角导致的加速度计和水平面之间的不重合度,模型包括角度叠加模型和单位矢量旋转模型。通过对两种模型仿真分析,表明角度叠加模型计算量小,并且能够满足实际误差补偿需要。     

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。     

水平初始对准误差对旋转IMU导航系统的精度影响

针对旋转IMU导航系统中水平初始对准误差对系统导航精度的影响进行了分析和研究。以加速度计为例,分析了利用旋转自动补偿部分器件零偏的基本原理。然后详细推导了水平初始对准误差在IMU旋转过程中对导航精度产生的影响,指出了与常用导航方式的不同之处;在理论分析的基础上,进行了数学仿真和试验验证。结果表明,尽管通过旋转可以补偿部分惯性器件误差,但由于惯性器件的水平决定了初始对准误差,而初始对准误差对系统精度的影响在旋转过程中被激励出来,从而降低了系统的导航精度;因此,如果希望通过IMU旋转在长时间内获得更高的导航精度,需有效地降低系统初始对准误差。     

光纤捷联航姿基准系统的设计与实现

针对光纤陀螺仪及捷联系统的特点,研究并实现了一种基于光纤陀螺仪的捷联航姿基准系统。以PC/104作为导航计算机,采用I/F转换回路及计数线路构成加速度计的数字信号采集系统,采用智能多串口线路完成各模块之间的通讯任务,构成捷联式航姿基准系统原理样机。在此基础上,设计了系统的机械编排方案、传感器的误差补偿方案和闭环卡尔曼滤波器。样机的测试结果表明:样机满足系统设计要求,在温控环境中,其精度优于基于挠性陀螺仪的捷联航姿系统。     

一种基于加速度计和天文的卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当航天器在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合上述两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道动力学模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度62.8%和速度精度63.9%,增强了系统可靠性。     

速率方位惯性平台/GPS/计程仪组合导航系统仿真研究

根据科学发展和高精度导航的要求，提出了一个由GPS接收机、速率方位惯性平台和重力敏感器构成的精确重力测量组合导航系统，给出了该组合系统在速率方位地平坐标系下的误差方程和Kalman滤波方法以及计算机仿真结果。数字仿真表明：由中等精度的陀螺仪和加速度计以及GPS组成的组合导航系统平台水平误差角小，定位精度高，能够满足重力测量和导航要求。     

一种天文/加速度计的HEO卫星自主导航新方法

直接敏感地平是一种典型自主天文导航方法,该方法简单可靠,易于实现,但是由于常用卫星轨道动力学J2模型精度有限,地球敏感器精度较低,因此导航精度不高。加速度计是测量运载体线加速度的常用惯性导航设备,当卫星在轨运行时,星载加速度计能够测量航天器所受发散力。结合这两种方法的特点,提出一种将加速度计和天文相结合的自主天文导航新方法。在常用卫星轨道J2模型基础上,引入大气阻力和太阳光压系数模型作为自主导航系统状态方程的一部分,并建立近地空间环境下星载加速度计的测量模型,将其与直接敏感地平均作为导航系统观测方程。设计基于信息融合的自主导航滤波方法,通过对多种导航模式进行数值仿真及结果分析,结果表明所设计方法提高了系统定位精度74.8%和速度精度86.2%,增强了系统可靠性。     

基于Q-R分解的平滑算法在惯导参数标定中应用

针对舰船中低精度惯性导航设备参数标定维护费用高、过程周期长等问题,采用测姿型DGPS作为测定误差的基准平台搭建导航设备性能测试系统,利用组合导航方式获取的高精度导航参数对惯导设备性能进行评估。为此,利用Q-R分解中上三角矩阵求逆计算的快速性和稳定性特点,建立基于Q-R矩阵分解的区间平滑滤波器,取代滤波误差方差阵P阵的计算为R阵的迭代,避免P阵在计算过程中失去正定性和对称性导致滤波发散。仿真分析结果表明:结合导航设备性能测试系统的Q-R分解区间平滑算法能有效提高系统位置、速度、姿态等数据的估计精度和数据平滑度,可以作为一种中低精度惯导参数性能事后评估方法。     

捷联惯性测量组件中内杆臂效应分析与补偿

在实际捷联惯性测量组件(SIMU)中,三个加速度计本质上测量的是SIMU上三个不同点处的加速度,如果把这些加速度当作来自于理想"点测量组件"的输出进行惯性导航解算,会从原理上引起导航误差,即内杆臂效应误差.假设SIMU中三个加速度计敏感轴互相垂直并且相交于一点,在SIMU绕某个固定坐标轴作角振动的条件下,分析了内杆臂效应的产生机理,得出内杆臂效应引起导航速度误差的规律:速度误差与角振动中心位置无关,与加速度计敏感点至交点的杆臂长度成正比,也与角振动频率成正比.提出内杆臂效应补偿的方法是将加速度计敏感点处的加速度测量值折算至它们的敏感轴交点上.     

测试基准倾斜对辨识加速度计数学模型精度的影响

建立了考虑测试基准倾斜时加速度计的数学模型。用初始安装误差角辨识理论及算法，在一定范围内消除或减弱了测试基准倾斜对加速度计数学模型辨识精度的影响。该方法可以降低对测试设备地基和调平装置精度的要求，降低其测试和标定成本，提高测试工作效率。     

高精度平台惯导系统空中数学修正方法

设计了鲁棒性能较好的H∞滤波器对惯导误差进行估计，设置两条导航解算通道，在组合通道内，采用数学方法对惯导系统位置误差、速度误差和水平失调角误差进行了修正。仿真表明，修正后的一定时间内效果与传统闭环修正相当。数学修正方法避免了传统闭环修正通过平台施矩进动消除失调角可能带来的风险，既提高了组合导航精度，又保证了修正后导航系统的可靠性。     

平台罗经显控系统在IBMPC系列微机上的一种实现

本文给出了在ＩＢＭＰＣ系列微机总线上实现对平台罗经多极同步器和加速度计等多路信号进行同步采样的硬件电路。论述了系统模型在微机上数字化，以及对陀螺方位、东向水平和北向水平等三路电流的控制算法及实施方案。本文主要讨论微机与多极同步器、加速度计等输入信号的接口实现方法。     

基于迭代估计的三轴加速度计温度模型参数外场标定方法

为补偿加速度计标度因数和零偏的热漂移误差,设计了一种可估计内场恒温环境下参数变化量的加速度计温度参数模型,并提出了基于迭代估计的温度模型参数外场标定方法。该方法不依赖精密的惯性测量设备和温箱,仅在重力场内对加速度计进行连续多组位置观测,充分利用加速度计冷启动过程产生的热漂移误差进行模型参数辨识,解决了加速度计温度误差特性和启动温度点相关的问题。针对加速度计测量信号为高斯白噪声的特点,建立了关于温度模型参数矢量和多组位置倾斜矢量的非线性准则函数,提出了两步迭代估计方法实现两组参数矢量的分离估计。根据不同位置下三轴加速度计输出信号粗略提取倾斜矢量,解决了迭代估计算法的初值问题。重力场内通过优化分析加速度计温度模型参数对重力值的灵敏度,设计了6组位置观测编排。实验结果表明,温度误差补偿前的重力值测量最大误差为3.62×10-4g,而温度误差补偿后重力值测量误差小于1×10-5g;同时,温度误差补偿前系统3 h纯惯性导航最大定位误差为1186 m,而温度误差补偿后最大定位误差小于600 m,从而表明提出的外场标定方法的有效性。     

一种航天飞行器的INS/CNS自主导航方案

传统的天文导航方法由于受水平基准精度的制约,难以进一步提高定位精度。针对INS/CNS组合导航方法对水平基准依赖的问题,提出了一种新颖的基于星光折射技术的INS/CNS自主组合导航方案。将惯性系下的非线性惯导误差传播方程作为系统状态方程,将星敏感器测得姿态和星光折射信息作为量测,采用UKF滤波算法,构成全面最优的INS/CNS组合导航。仿真结果表明,星敏感器精度为3″时,导航系统的定位精度优于200 m,姿态精度优于3″,导航定位精度随所使用的折射星数目增多明显提高,且方案在系统大角度误差条件下仍然适用。