一种改进的姿态匹配船体变形测量方法

针对船体变形测量系统中模型不确定以及未知噪声影响导致的误差问题,分析并推导了模型偏差对滤波估计的影响,提出一种基于姿态匹配的强跟踪最大互相关熵卡尔曼滤波(STMCKF)算法,用于船体变形估计。该算法采用姿态匹配,基于两套惯性系统的姿态信息确立滤波观测量并建立线性量测方程,通过自适应在线调整多个渐消因子对多个数据通道进行渐消,减小模型失配导致的误差,并设计基于最大互相关熵准则为最优准则的滤波算法,减小量测过程中受到的非高斯噪声产生的误差。最后,在模型不匹配及噪声不确定的条件下进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,变形估计精度提高10%～30%,提高了系统鲁棒性和环境适应性。     

基于激光陀螺自适应补偿的船体变形测量方法

基于长期变形、动态挠曲变形以及陀螺随机零偏的状态方程,构建了激光陀螺测量的惯性姿态匹配最优滤波器,可以实时地估计出船体变形角。针对实时估计的长期变形角具有偏置误差的问题,推导了惯性姿态匹配的误差方程,指出动态挠曲变形角与船体惯性姿态角之间具有长时间的交叉相关耦合作用导致了长期变形角估计具有偏置误差,并提出了对输入到最优滤波器的激光陀螺角增量进行自适应补偿的方法来抑制偏置误差。实验结果表明,补偿后俯仰角、横滚角和艏挠角的偏置误差均方根均小于5″,较补偿前降低均方根误差约为5″,该自适应补偿方法可有效地抑制偏置误差,提高惯性姿态匹配方法在船体变形测量应用中的有效性。     

考虑旋转调制 INS 轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。     

消减舰船变形的影响和为全舰提供高精度姿态基准

引用国内外一些文献列举的现代舰船船体变形的数据，论证了消减船体变形的影响和为全舰提供精确的姿态基准的重要意义。对舰载航向姿态基准的功能、性能与特点进行了综述。介绍了基于激光陀螺和光纤Bragg光栅传感器测量船体变形的新方法。最后，探讨了分布式姿态基准系统的技术方案。     

基于光纤光栅技术的船体变形修正技术

为进一步优化航天测量船变形测量系统,提出了基于光纤Bragg光栅技术的应变误差测量方法。首先通过对测量船变形系统的结构和光路进行几何分析,建立了应变量与误差角之间的转换模型。然后基于光纤光栅技术设计了测量船变形系统的应变误差测量方案。由应变与误差角的转换公式得到,运用常用的Si425型光纤光栅解调仪,其理论测量精度可达0.01″。     

基于摄像测量原理的船体垂向变形测量半实物仿真实验研究

针对船体垂向变形测量的迫切需求,以及现有方法对于垂向变形适用性差的实际情况,提出了一种利用摄像测量原理实现垂向变形测量的新方法,推导了设备垂向变形角与姿态欧拉角变化量之间的转换关系,在此基础上设计了船体垂向变形测量方案。通过在平台上的CCD像机对与垂向设备基座固连的合作标志的实时观测,解算由于变形引起的合作标志姿态变化量,再利用合作标志与设备基座固连关系计算设备的垂向变形角。在实验室条件下进行了半实物仿真实验,实验结果测量值与参考值变化趋势一致,测量误差均在10″以下,说明该方法在垂向变形测量中正确可行。     

基于姿态匹配的船体形变测量方法

针对激光陀螺船体形变测量系统,提出了一种新的基于姿态匹配的形变测量解算方法。该方法不同于以角速度差作为观测量的惯性测量匹配法,而是基于两套激光陀螺系统的姿态信息。确立了新的形变测量滤波观测量,并建立线性量测方程。两套激光陀螺系统直接利用激光陀螺输出的角增量数据相对于惯性空间进行姿态更新,惯性坐标系取为各自初始时刻的载体坐标系,完全回避了系统初始对准问题,且充分利用了激光陀螺角度测量精度高的特点。仿真结果表明,该方法能够有效实现船体形变的高频精确测量,仿真测量精度优于15″,为激光陀螺船体形变测量技术进入工程应用打下了基础。     

航天测量船船体变形摄像测量技术研究进展

航天测量船是一座海上活动测控站,在辽阔的海洋上对导弹、航天器进行跟踪、测量和控制.航天测量船在海上工作状态下,随着航速、航向的变化,以及海浪冲击、温度变化等影响,会产生不可忽视的弹性变形.这种变形会带来航天测量船的测量误差,特别是雷达和光电经纬仪等测控设备相对船体基准的动态变形,如果不能测量并修正,这些设备就无法完成高精度测量的任务[1].     

基于修正的Rodrigues参数的EKF算法在姿态估计中的应用

以低成本航姿测量系统为研究对象,针对四元数描述姿态时存在冗余的不足,提出使用三维独立矢量的修正的Rodrigues参数进行姿态解算,利用与其影子参数相互切换的方法解决了修正的Rodrigues参数在描述姿态时存在奇异的问题,根据系统中器件的特点,以陀螺零偏和修正的Rodrigues参数为状态向量,以加速度计、磁强计输出为观测向量建立了基于扩展Kalman滤波的姿态估计算法,避免了利用四元数进行姿态估计时状态误差方差阵产生奇异的问题,并在一定程度上减小了估计算法的计算量。最后通过全姿态以及摇摆基座数据仿真验证了算法的有效性。     

模糊推理在捷联航姿系统中的应用

为了减小捷联航姿系统航姿解算过程中陀螺漂移和积分过程等因素对航姿精度的影响,结合各传感器输出与载体运动状态相关的特性,提出了一种基于模糊推理的IMU(惯性测量组件)/磁传感器信息融合方法.通过模糊推理系统判断出载体当前的运动状态,在准静态下对IMU中陀螺解算的姿态信息和加表解算的姿态信息进行融合可提高载体的姿态精度,对陀螺解算的航向信息和准静态下磁罗经提供的航向信息进行融合可提高载体的航向精度.经过跑车试验且与跑车过程中作为基准的光纤/GPS航姿系统的航姿结果进行比较,验证了该推理过程和融合算法的正确性.     

船用光纤陀螺航姿系统动态对准

为提高船用航姿系统的对准精度和对准速度，提出了摇摆条件下的两位置对准方案。应用分段线性定常系统理论和可观测度的奇异值分解法，分析了动基座下航姿系统的可观测性和可观测度，并在摇摆台上进行了光纤陀螺航姿系统的两位置对准试验。理论分析结果表明，两位置对准可以提高系统状态变量的可观测度，尤其对加速度计误差和方位失准角的可观测度提高作用明显。摇摆试验的结果则表明，两位置对准可以使方位角对准精度提高3倍以上，同时加快了卡尔曼滤波器的收敛速度。摇摆条件下的两位置对准为船用航姿系统动态对准提供了新的途径。     

基于扩展卡尔曼滤波算法的船舶姿态监测预报系统设计（英文）

为提高船舶姿态监测预报系统的测量精度,设计加速度传感器和陀螺仪捷联的惯性导航系统,利用互补处理和反馈调节对传感器输出参数进行校正。为得到精度较高的预估数据,通过广义最小二乘法进行系统辨识建立船舶状态模型和矫正的传感器测量模型,由扩展的卡尔曼滤波器得到最优估计状态。同时设计闭环系统,进一步提高系统的测量精度和预估精度。此外,针对当前监测预报系统普遍存在的软件界面差、交互困难等缺点,设计姿态监测预报友好型界面,可3D动画实时显示船舶当前的运动姿态,并具有数据存储、分析、操作处理等功能。最后,通过实验对不同倾角变化率下实际姿态、测量姿态和预估姿态进行对比,结果表明所设计的姿态监测预报系统具有较高的监测精度和预估精度。     

基于内阻尼的捷联航姿算法

捷联惯性航姿系统自身的特征就是误差存在舒勒周期振荡和傅科周期振荡,这就限制了捷联惯性航姿系统的精度。为了提高系统精度,将传统的平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中,通过设计水平回路中误差通道的三阶内阻尼网络,利用系统自身的速度信息来阻尼周期振荡,同时在内阻尼思想基础上提出了基于内阻尼的捷联航姿算法。由于改变了舒勒调谐的条件,内阻尼算法只有在加速度较小的条件下才能适用。通过数字仿真证明,在载体加速度较小的条件下,新的算法能够抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡,提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

激光陀螺组合体测量船体角形变中观测耦合效应的补偿（英文）

船体角形变是传递对准中的主要误差源,需要依靠测量仪器精确标定。根据姿态匹配方法使用两套激光陀螺组合体可以计算角形变。但是动态形变和船体运动角速度的交叉相关的观测耦合效应导致角形变的最优估计结果不准确,并且通过姿态匹配方法这种观测耦合效应是不能被准确测量的,需要结合其它角形变的测量信息进行计算。基于角速度匹配方法,研究了观测耦合效应,并得出其导致角形变估计的偏置误差,且受船体运动角速度调制的结论。通过补偿激光陀螺组合体测量的角速度,降低了观测耦合效应,得到了高精度的对准结果。仿真结果表明观测耦合效应主要导致了静态形变估计精度的不准确。     

无人机捷联航姿系统磁航向误差分析

为进一步提高某型飞机捷联航姿系统的磁航向精度,分析了该系统中姿态角误差对磁航向精度的影响,详细推导了磁航向角的误差公式。结合某型飞机的特点,对误差公式做了进一步简化分析,结论表明磁航向角的误差大小主要由姿态角误差的平方和决定。采用试飞数据进行仿真,结果验证了误差公式及分析结论的正确性。     

一种新的舰船航姿测量方法

提出了一种采用加速度计、磁强计和GPS芯片为主要传感器构成的舰船航姿测量模型,开发了由运动生成模块和姿态解算模块两部分组成的仿真程序,对舰船航姿测量模型进行了仿真实验分析验证。实验结果表明,该模型可以实时解算舰船航姿。在GPS速度测量误差为0.05 m/s,加速度计分辨率为10-5g,磁强计测量精度为0.5μT的情况下,舰船航向测量精度优于0.68°,姿态测量精度优于0.35°。     

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。     

基于螺旋修正的卫星位姿更新算法

由于卫星运动的不可交换性,在卫星测量过程中引入螺旋修正算法描述编队卫星中主从星的相对位置和姿态信息,提出了基于螺旋修正的编队卫星相对位姿测量算法。首先基于典型的螺旋环境,设计了螺旋修正算法,论证了其与传统圆锥修正算法和划船修正算法的一致性,采用三子样螺旋修正算法进行仿真并与传统算法的精度进行比较。仿真结果表明该算法的位置和姿态精度分别可以达到10-3 m和10-6数量级,满足测量精度要求。该算法不用像传统算法分别为卫星的位置更新和姿态更新设计两组优化系数,因此降低了算法复杂度。