一种基于坐标系级联的攻角探测方法

攻角作为描述弹体飞行状态的重要参数,是外弹道测试的重要内容之一。针对制导炮弹空中飞行时直接探测弹丸攻角相对较为困难的问题,提出了一种基于坐标系级联的弹丸攻角探测方法。该方法以弹用MINS/GNSS组合导航参数的输出为基础,建立了弹丸攻角的探测模型,采用坐标系级联的方式实现了弹丸攻角的最优估计。某型精确制导炮弹的数值仿真结果表明:采用本文提出的攻角探测方法得到的攻角估计误差分布在0.7°,并且MINS/GNSS组合导航系统姿态输出精度以及各个传感器测量精度的提高均有助于弹丸攻角的最优估计。该方法是一种在不需要增加额外探测设备的基础上实现弹丸攻角最优估计的有效方法,可以为弹丸攻角探测的实际工程应用提供新思路。     

基于GPS观测量和模型预测滤波的机载SINS/GPS空中自对准

针对机载SINS/GPS组合导航系统地面静基座对准时间较长的问题,提出了一种基于GPS观测量和模型预测滤波(MPF)的机载SINS/GPS空中开机自对准方法。该方法首先在载机匀速直线飞行阶段进行SINS/GPS空中开机粗对准,利用GPS获得初始位置、速度和航向,利用加速度计的输出信息计算两个初始水平姿态角;然后在载机进入最优S机动飞行段进行SINS空中精对准,采用MPF和EKF相结合的滤波器估计SINS的误差并进行校正。计算机仿真结果表明,该方法实现了SINS的空中开机自对准,大大缩短飞机的地面准备时间,空中开机粗对准的方位角误差小于15°,俯仰角和横滚角误差小于2°,而空中精对准的方位角、俯仰角和横滚角的估计误差分别达到了67.36〞、47.31〞和-32.52〞。     

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。     

制导炮弹捷联惯导基于GPS的飞行中对准算法(英文)

提出了一种适用于制导炮弹上低精度MEMS IMU/GPS组合系统的飞行中初始对准算法。通过引入辅助的载体惯性系和导航惯性系,将所求姿态四元数分解为三部分:第一部分描述载体系相对于载体惯性系的姿态,由MEMS陀螺仪输出积分求解;第二部分描述导航系相对于导航惯性系的姿态,利用GPS位置输出解析求解;第三部分描述两辅助惯性系的相对姿态,采用Re-quest算法完成解算。详细讨论了算法误差、有效性条件,并对Re-quest算法进行了优化和简化。蒙特卡洛仿真结果表明,在弹体加速度以指数规律变化条件下,对准算法可以在10 s时间内达到水平误差小于0.2°(1?)、航向误差小于0.4°(1σ)的精度,完全满足制导炮弹组合系统初始对准的精度要求。     

海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一,本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设,构建了船载捷联惯导系泊对准模型,研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进,提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法,该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数,生成了精度更高的基准矢量,从而提高系泊对准的精度,并且该算法只需进行一次三轴姿态解算,保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明,改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度,两个水平姿态角误差小于4′,航向角误差在10′左右,满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。     

一种纬度未知条件下捷联惯导抗扰动自对准算法

针对地理纬度未知且包含有角晃动干扰、高低频线运动干扰等复杂环境下,捷联惯导系统难以实现快速、高精度对准的问题,提出了一种纬度未知条件下的抗扰动自对准算法。通过设置滑动窗口,根据惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度矢量的夹角求取纬度信息,该算法充分利用实时的惯性仪表数据实现对纬度的估计。通过将初始对准问题转化为姿态确定的问题消除角晃动干扰的影响,利用惯性坐标系下重力加速度矢量和晃动干扰加速度的频率特点,引入小波阈值消噪和多项式优化的算法抑制线运动干扰的影响,从而提高惯导系统抗扰动自对准精度。仿真和车载半物理实验结果表明,该算法具有纬度自估计、隔离角晃动和线运动干扰的能力。在导航级惯性仪表参数下,可将实时估计的纬度的误差限制在0.1°左右,抗干扰自对准的航向角误差接近惯性器件误差决定的极限精度。     

制导炮弹飞行姿态的卡尔曼滤波估计方法

制导炮弹控制系统要求炮弹飞行姿态测量信息具有良好的准确性和实时性.为解决制导炮弹飞行姿态的高精度滤波估计问题,根据外弹道攻角运动方程和MEMS角速度陀螺测量方程分别建立姿态角滤波系统状态模型和量测模型.考虑实际陀螺随机白噪声的影响,结合弹载全球定位系统信息及地面弹道试验数据,并利用非线性卡尔曼滤波估计方法,对制导炮弹飞行姿态进行了滤波估计.为提高滤波估计效率,对比了Unscented卡尔曼滤波和一种混合卡尔曼滤波两种非线性滤波估计方法,滤波估计结果表明两种方法得到的姿态精度均能满足测量要求,而运算效率后者相对前者可提高约6％,稳定性也较好,因此在工程上更实用.     

采用粒子滤波的捷联惯导非线性快速初始对准算法

针对常规捷联惯导静基座初始对准模型维数高,难以保证粒子滤波实时性的问题,提出了一种适用于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准模型。该模型利用二位置方法消除惯性器件的常值误差,因此无需对惯性器件误差进行状态扩展,从而在保证对准精度的前提下降低了粒子滤波的运算量。在二位置非线性快速初始对准模型中航向角是直接可观测的,因此可以提高航向角的对准精度和速度。仿真结果表明,采用基于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准方法,水平姿态精度在6″以内,航向角精度为10′以内,还较好地满足了粒子滤波应用于捷联惯性导航系统初始对准中的实时性要求,有效提高了初始对准的速度。     

一种微型矢量水听器姿态测量系统

矢量水听器姿态校正的通常做法是将姿态测量系统捷联安装在声纳平台上,这种方案无法准确测量矢量水听器的姿态变化。针对这个问题,设计了一种微型姿态测量系统,并将其捷联封装在矢量水听器内部。系统采用MEMS陀螺测量角速度,用毕卡迭代算法解四元数姿态更新方程。用MEMS加速度计和磁力计分别测量重力方向和磁北方向,再使用扩展卡尔曼滤波对解算姿态角进行实时校正。经测试,该系统横滚角和俯仰角的静态误差小于0.2°,航向角的静态误差小于0.8°。摇摆实验中,横滚角和俯仰角的动态相对误差小于2.9%,航向角的动态相对误差小于3.6%。海上试验结果证明该姿态测量系统应用于矢量水听器可明显提高目标方位估计的精度。     

晃动基座行进间对准问题的QUEST算法

针对惯导系统晃动基座行进间初始对准问题,提出了一种基于重力矢量的QUEST(Quaternion Estimator)姿态最优估计算法。在传统基于重力矢量的初始对准方法基础上,将方向余弦矩阵的求解过程转换为Wahba问题,实现对重力矢量信息的充分利用,并通过QUEST算法实现了晃动基座下行进间粗对准的最优算法,改善了原有算法鲁棒性以及实时性等方面的问题。仿真和湖试实验验证表明,更改后的算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态估计速度和精度,特别在周期性线振动环境下的对准精度能够提高一个数量级。多航次的湖试实验结果表明,改进后的算法能够有效提高航向对准精度,综合导航速度精度能够提高50%左右。     

基于四元数卡尔曼滤波的捷联惯导初始对准算法

针对晃动基座捷联惯导初始对准问题,研究了一种具有干扰抑制能力的初始对准算法。根据重力矢量在惯性空间投影构成一包含地球北向信息的旋转锥面的现象,利用坐标系惯性凝固假设将重力量测矢量和参考矢量分别投影到载体惯性坐标系和导航惯性坐标系,将晃动基座条件下的初始对准转化为基于重力量测矢量确定对准起始时刻的姿态问题。借鉴四元数线性伪量测方程的概念,利用重力投影矢量与初始姿态四元数的线性量测关系实现初始姿态四元数的直接滤波估计。初始姿态四元数在对准过程中为常值,以其作为待估计的状态可避免系统模型误差和初始误差的影响。利用转台模拟不同的摇摆对准环境,导航级惯导系统可在10 min内完成初始对准且方位误差小于3’。     

基于递推最小二乘的航姿系统罗差校正

为校正姿态与航向参考系统使用环境中软硬铁产生的罗差,提出了一种利用地磁场连续转动信息补偿三轴软硬铁的方法.由于陀螺短时精度高,初始对准后短时内可得到精度较高的捷联矩阵,如果已知当地磁倾角,由捷联矩阵可将已知的地磁场投影到载体系.当航姿系统改变姿态角连续转动时,采用递推最小二乘算法来估计12个罗差参数.实验说明,与常用罗差校正方法相比,此方法在全姿态范围内效果更好,水平时航向角精度为0.3°,35°倾角航向角精度为1.1°,59°倾角航向角精度为1.2°.     

舰载高速导弹SINS/GPS组合导航系统二次快速传递对准

基于惯性导航基本方程的精确表达式,采用二次传递对准的概念与方法,对舰载高速导弹SINS/GPS组合导航系统的动基座传递对准进行了研究。传递对准方案的设计充分利用了垂直发射的特点,将传递对准分为两次进行。第一次对准利用载舰的机动运动,快速完成航向对准,同时初步完成水平对准。第二次对准利用导弹垂直发射和大加速度的特点精确而快速地实现水平对准。仿真结果表明:第一次对准在30s内使航向失准角的估计误差减少到3.05′;在垂直加速度为20g的情况下,第二次传递对准在10s的时间内使东向和北向两个失准角都能得到快速的估计,误差分别为0.4′和0.465′。     

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GPS的弹载捷联惯导动基座传递对准技术

针对载机未装备主惯导系统的弹载捷联惯导初始对准问题,提出了一种基于机载GPS信息的动基座传递对准算法。首先利用惯性凝固思想设计了基于比力积分和GPS速度信息的惯性系粗对准算法,粗略估计弹载惯导的初始姿态;然后通过分析惯导系统在惯性系下的导航误差方程,设计了基于GPS信息的"速度+位置"匹配卡尔曼滤波精对准算法,对粗对准误差做进一步估计补偿。车载试验结果为:与车载激光捷联惯导输出相比,水平和方位对准精度分别为6’和18’。试验验证了该算法的有效性,为未装备机载主惯导的弹载捷联惯导的快速初始化提供了工程应用参考。     

纬度未知条件下的抗扰动惯性系初始对准改进方法

基于捷联惯导系统(SINS)的惯性系初始对准原理,推导了在纬度未知条件下同时进行纬度估计和进行初始对准递推计算的改进算法。利用奇异值分解(SVD)求解最优单位正交矩阵,根据最优矩阵的行列式值确定纬度正负符号和确定右手姿态阵。分析并给出了纬度估计误差公式和初始对准失准角误差公式。对南北纬度下的未知纬度初始对准进行了仿真验证,结果表明改进算法能够获得正确的纬度估计值和实现精确的姿态初始对准,它们的误差特性均与理论推导的误差规律相符。     

基于旋转矢量误差模型的舰载机大失准角传递对准技术（英文）

为实现舰载机大方位失准角条件下的快速传递对准,提出采用旋转矢量误差模型。分别推导了速度匹配和速度加角速度匹配的量测模型。为解决非线性滤波器的稳定性和快速性,提出采用平方根无迹卡尔曼滤波SRUKF来估计失准角。仿真结果表明,旋转矢量误差模型相对于非线性的欧拉角误差模型有更高的估计精度。在海况引起的摇摆运动下,运用速度加角速度匹配方法可以在50 s内完成对准,此时水平精度达到20?以内,航向精度达到1?以内。由此表明所提出的算法可以满足舰载机传递对准快速性和精确性的要求。     

一种车载捷联惯导行进间QUEST优化粗对准算法

针对车载捷联惯导的传统动基座对准方法精度较低及环境适应性较差的问题,提出了一种基于QUEST的行进间粗对准优化算法。首先使用姿态矩阵分解的方法,得到不同参考系下对重力矢量的观测值。然后分析不同环境对于对准算法的影响,利用优化的QUEST算法,对不同时刻的重力矢量信息进行分析,基于误差信息对权重值大小进行合理分配,提高算法稳定性。实时估计车载体姿态、速度、位置,并反馈到下一次计算中去,形成闭环,提高粗对准精度。仿真和车载实验表明,该算法能够实现车辆行进过程中的姿态粗对准,多组实验下航向角误差在150 s内可达到±2°以内。     

基于多项式拟合的抗扰动纬度估计和粗对准方法

针对纬度未知条件下捷联惯导系统(SINS)扰动基座下初始对准问题,提出了基于惯性系比力积分及多项式拟合的纬度估计与粗对准算法。首先,基于惯性系和姿态阵链式分解,隔离角晃动;其次,通过比力积分,平滑高频线运动干扰和加速度计噪声;最后,对比力积分进行以时间为自变量的三次多项式拟合,进一步抑制线运动干扰,同时根据拟合参数实现纬度估计和粗对准。转台摇摆对准实验结果表明,高精度光纤捷联惯导系统采用该算法可以在1 min内实现纬度估计和粗对准,纬度估计精度优于0.2°(RMS),以静基座对准后姿态保持结果作为摇摆状态姿态参考时,水平姿态角相对偏差小于0.001°(RMS),航向角相对偏差不大于0.07°(RMS),可满足粗对准工程应用的快速性和精度要求。     

基于矩阵卡尔曼滤波的捷联惯导初始对准算法

针对捷联惯导系统大失准角晃动基座条件下的初始对准问题,提出了一种基于矩阵卡尔曼滤波的抗干扰自对准算法。该方法将传统大失准角非线性对准问题,简化为确定初始时刻姿态的线性矩阵卡尔曼滤波估计问题。借鉴惯性系REQUEST算法,将重力矢量在惯性系下的投影作为量测,利用K矩阵在对准过程中为常值特性,以其作为待估计的状态可避免系统模型误差和初始误差的影响,同时避免了传统方法对失准角大、小的假设,也不再区分粗、精对准过程,适用于任意姿态、无初值条件下的对准。在发动机振动及外界扰动条件下进行了四个方位的对准试验,试验表明,对于导航级惯导系统,算法可在5 min内完成初始对准且统计方位均方差小于3'(1σ),略优于传统算法。