基于SVD方法的INS传递对准的可观测性能分析

在惯导系统一般的误差动态方程和速度观测方程的基础上,建立了姿态传递对准所必需的弹、舰相对姿态误差方程和观测方程.介绍了基于动态系统可观测性矩阵奇异值分解的状态变量可观测度的分析方法.用奇异值分解的方法,对同时采用速度和姿态传递的INS对准模型,分析了系统变量的可观测性和可观测度,为对准方程的可观测性结构分解和误差估计性能的改善提供了必要的基础.     

基于可观测性分析的光纤陀螺SINS/测速仪组合系统技术

为了简化求可观测度的过程,便于导航时利用状态变量可观测性分析结果进行姿态解算。在仔细研究了分段定常系统(PWCS)的可观测性分析方法,以及基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法的基础上,提出了一种改进的状态可观测性分析方法,该方法在求可观测度时,不需要量测值,利用可观测性矩阵奇异值分解后的V阵即可进行可观测性分析;利用该理论得到的结果,在SINS/测速仪组合导航解算过程中只对可观测度好的俯仰角误差和横滚角误差进行反馈校正,不反馈可观测度较差的航向角误差,仿真结果证明,这种有选择的反馈校正方法可以保证姿态角在导航开始几秒钟内就快速收敛。     

局部可观测理论在惯导系统快速传递对准中的应用

鉴于传统的全局可观测理论很难定量分析时变系统的可观测性,从机载导弹传递对准姿态角误差的可观测性出发,首次将局部可观测性理论应用于"速度 姿态"匹配的快速传递对准中。将条件数的概念引入局部可观测矩阵,定量地计算出在三种不同机动方式下,局部可观测矩阵的条件数,用以表征机动对准过程中系统的局部可观测度。仿真结果证明,提高姿态角误差可观测度的最佳载体机动方式为机翼摇摆运动。该研究结果为实现机载武器动基座快速精确对准技术在工程中的应用提供了依据。     

一种可观测度分析方法及在传递对准中的应用

针对卡尔曼滤波器中状态可观测度的定量分析问题,提出了一种新的可观测度分析方法。利用无系统噪声输入的动态系统初始状态的加权最小二乘估计,推导了动态系统初始状态估计误差的传递方程,将状态变量的可观测度指标定义为估计误差传递矩阵的对角线元素,从系统初始状态估计误差衰减角度定义了可观测度。推导了考虑子惯导安装矩阵的姿态观测方程,将机翼变形视为观测噪声,构建了速度加姿态匹配的传递对准模型。将可观测度分析方法应用到该传递对准模型中,结果表明:水平加速计零偏可观测度低,估计误差大,而其他状态可观测度高,估计误差小。     

基于SVD的SINS多位置对准可观测性分析

针对捷联式惯导系统多位置对准可观测性的问题，以捷联式惯导十状态误差方程为研究对象，利用卡尔曼滤波分别得到固定位置对准与二位置对准以及二位置对准与三位置对准时的方位失准角估计误差收敛情况。在分段线性定常系统理论的基础上，利用奇异值分解的方法，分别对固定位置对准以及二位置对准时的系统各状态变量的可观测性进行分析。仿真结果表明，三位置对准和二位置对准时的方位失准角估计误差达到的稳态误差是一致的，并且多位置对准能够改善捷联惯导系统各状态变量的可观测度。该研究结果不仅为确定并提高捷联惯导系统各状态的可观测度提供了途径，而且为捷联式惯导系统的可观测性达到最佳以及捷联惯导系统对准精度的快速提高提供了理论基础。     

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。     

基于可观测性分析的方位旋转式惯导初始对准仿真研究

方位旋转式平台惯导系统(ARGINS)可以通过平台绕方位轴旋转抑制陀螺漂移和加速度计零偏,提高系统精度.平台旋转同样会影响系统静基座初始对准的精度.文中给出了ARGINS系统初始对准的误差方程和速度观测方程,应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值可观测度分析方法,定量地给出了ARGlNS系统状态的可观测度,并进行了ARGINS静基座初始对准过程的数字仿真和结果分析.结果表明:与固定指北式惯导系统相比,ARGIYS系统通过平台旋转提高了加速度计零偏和水平陀螺漂移的可观测度,可以应用卡尔曼滤波对系统的平台失准角和惯性元件误差进行估计并提高对准精度.     

车载捷联惯导系统静止条件下的初始对准方法研究

根据捷联惯导系统(SINS)的误差模型，从提高初始对准中卡尔曼滤波估计的可观测性和可观测度的角度出发，提出了同时利用加速度表的输出和速度误差量这两种信息作为卡尔曼滤波的测量量，对陆地车辆捷联惯导系统在静止条件下进行初始对准。可观测性定性分析、可观测度定量计算和仿真结果都表明，充分利用外部可观测信息，可以提高系统的可观测性和可观测度，加快初始对准的速度，减小估计误差。该方法已经在实际的SINS中得到应用。     

基于谱分解的SINS传递对准可观测度分析方法

针对舰载武器捷联惯导系统的快速精确传递对准问题,对"速度+姿态"匹配进行了简化,给出"速度+航向"匹配的传递对准模型。在此基础上,提出了一种基于Hermite矩阵谱分解的可观测度分析方法,该方法仅需要对阶数与系统状态维数相同的Hermite矩阵进行谱分解,算法简单。最后,应用该方法分别对三种匹配(速度匹配、"速度+姿态"匹配和"速度+航向"匹配)的系统状态进行可观测度分析。仿真试验结果表明:基于谱分解的可观测度分析方法是正确有效的,"速度+航向"匹配的对准精度在10 s内优于4′,能够实现捷联惯导系统的快速精确传递对准。     

MSINS/GPS全组合系统可观测性分析

卡尔曼滤波是组合导航系统处理数据最常用的算法。首先给出PWCS可观测性定理,然后在G矩阵选星算法的基础上,设计了基于伪距/伪距率的MSINS/GPS紧耦合系统(TCS)的卡尔曼滤波器,在上述量测方程中加入基于GPS载波相位观测量的姿态测量方程,给出了有姿态测量信息的全组合系统(CIS)。最后证明了CIS满足PWCS定理条件,即可以用离散系统的选择可观测性矩阵(SOM)代替相应的连续系统的总可观测性矩阵(TOM)对系统进行可观测性和可观测度的分析。利用奇异值分解(SVD)理论给出了不同可见卫星数时CIS的可观测性分析结果。与不加入姿态观测信息的MSINS/GPS的TCS比较,计算结果表明CIS比TCS具有更好的可观测性和可观测度。     

大方位失准角的舰载武器INS对准

研究了舰载武器惯导系统（INS）大方位失准角的传递对准问题。首先，给出了适用于大方位失准角的INS姿态误差和速度误差传播模型。然后，提出了一种改进的利用速度＋角速率匹配的传递对准算法，该算法能够借助海浪引起的舰船运动进行传递对准。通过基于奇异值分解的卡尔曼滤波器（SVD-KF）的引入，给出了非线性滤波算法的实现方案，并对SVD-KF和EKF在大方位失准角的舰载武器INS对准就姿态失准角的估计精度和收敛速度进行了比较。仿真结果验证了所提大方位失准角传递对准算法的可行性。     

两种坐标系下惯导传递对准效果比较

分别建立了发射点惯性坐标系和当地地理坐标系下的惯导误差传播模型,以及典型匹配模式下的传递对准基本方程。基于运载火箭主动段飞行,分析了姿态机动运动对两种坐标系下传递对准的不同影响。数学模型和仿真分析表明,两种坐标系下的传递对准在原理和系统特性上均有较大差异。典型匹配方案的对准效果对比表明,发射点惯性坐标系内的"角速度+加速度"匹配是一种能够实现子惯导快速、准确初始化的有效方法。     

基于惯性参考系基准的快速传递对准方法

研究了以惯性参考系为基准的新型传递对准方法。推导了计算惯性坐标系和计算体坐标系传递对准动态误差模型,并给出了相应的"速度+姿态"观测方程。基于惯性参考系的对准方法通过链式法则将子惯导输出的姿态矩阵描述为三个变换矩阵之积,其中两个变换矩阵通过对准时间和主惯导提供的位置信息可得到精确求解,剩余的变换矩阵(子惯导体坐标系至惯性坐标系间的变换矩阵)通过子惯导陀螺仪的输出进行解算,其误差通过传递对准估计得到的失准角进行补偿。对提出的两种对准方法进行摇摆实验验证,方位对准误差优于4’(1)。与传统基于导航坐标系的方法相比,基于惯性坐标系的方法直接将误差定位到惯性坐标系上,具有算法简便的特点。     

具有外观测误差的INS传递对准的性能分析

对于给定的传递对准的误差模型，针对常值外观测速度、位置误差和随机外观测速、位置度误差两种情况，分别对惯导系统的传递对准误差模型的解算偏差和Kalman滤波器的估计偏差进行了仿真分析。结果表明，外观测误差引起的INS传递对准的估计偏差不能忽视，为采用更优的估计方法提供了依据。     

传递对准中测量延迟的补偿方法

采用“速度 姿态”匹配方式，提出了一种解决传递对准中主惯导数据测量延迟现象的方法。该方法将主惯导数据测量延迟时间扩展为卡尔曼滤波器的一个状态变量，并同时考虑了测量延迟时间对速度和姿态测量量的影响。在主惯导数据存在测量延迟的情况下，推导了速度、姿态测量方程，最后对提出的方法进行了仿真。仿真结果表明，该方法可以加快滤波器的收敛速度，提高传递对准的对准精度。     

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。     

机载惯导跑道滑行对准研究

提出了一种机载惯导系统跑道滑行对准的方案和实施方法,建立了对准时的导航计算和误差补偿迭代方程,研究了影响对准精度的因素和解决的措施。     

主惯导旋转调制对传递对准性能的影响

旋转调制技术在调制惯性器件常值误差,有效提高惯导系统长航时导航精度的同时,也引入了由系统旋转而造成的速度误差以旋转周期和旋转周期二倍频波动,这种波动对以速度为匹配量的传递对准有一定的影响。从旋转调制系统的误差特性出发,分析了旋转调制对以速度为匹配量传递对准的有利和不利影响,并针对不同的旋转调制周期进行了仿真验证,仿真结果表明当旋转周期远大于舒勒周期时,旋转调制引起的不利和有利影响都很小,可忽略不计;当旋转周期远小于舒勒周期时,旋转调制可提高子惯导的方位对准精度,但延长了系统的传递对准时间。例如,当旋转周期为3(°)/s时,水平对准时间由3 min延长到4 min,而对准精度由1.2′提高到0.2′;方位对准时间由10 min延长到16 min,而对准精度由2.2′提高到0.4′。     

大陀螺零偏条件下的快速传递对准算法

针对某些某些微机械陀螺零偏重复性差的特点，提出了滤波反馈修正和陀螺零偏粗对准预处理两种方法，使“速度＋姿态”快速传递对准算法在大陀螺零偏条件下能够不损失估计精度。在简要介绍“速度＋姿态”．决速传递对准算法数学模型的基础上，探讨了大陀螺零偏导致的惯导系统非线性误差。为减小上述非线性误差的影响，提出用每一步滤波估计值修正子掼导状态的反馈修正方法，和在进行卡尔曼滤波前直接测量比较主、子惯导陀螺输出的陀螺零偏粗对准预处理方法。仿真结果表明，采用上述两种方法，快速传递对准算法可在陀螺零偏过大的情况下保持算法的有效性和估计精度。     

捷联惯导角速度匹配传递对准方法研究

潜器用SINS在释放前摇摆基座上进行初始传递对准时，主惯导与子惯导之间不仅会因安装而产生常值失准角，而且会因为舰体的变形产生不确定失准角。用二阶马尔可夫对舰体变形进行了建模，并对角速度匹配传递对准方法进行了研究。计算机仿真验证了舰体变形模型的可行性，角速度匹配传递对准方案可以有效、快速地为潜器提供高精度的导航姿态基准。