基于Kalman滤波原理对惯导中重力扰动的估计及补偿方法

重力扰动(空间同一点实际重力与正常重力之差,包括垂线偏差和重力异常两部分)一直是惯性导航系统的重要误差源之一。随着惯性器件精度的逐步提高,重力扰动所引起的导航误差已成为高精度长航时惯导系统的主要误差之一,不能被忽略,必须对其进行补偿。针对重力扰动误差精确补偿问题,只考虑重力异常的情况,推导并建立了考虑重力异常的惯导误差方程。对误差传播进行了分析,利用Kalman滤波原理设计了带有重力异常状态量的状态方程,并利用GPS和惯导的速度误差作为观测量对重力异常进行滤波并对滤波后得到的重力异常值对惯导重力异常项补偿。进行了2 h的仿真,结果表明:Kalman滤波后可得到当地的重力异常值,重力异常补偿后,速度误差精度可以提高约0.3m/s,姿态精度提高约0.3′,位置精度提高约150 m。     

惯性导航系统重力扰动矢量补偿技术

在较高精度惯性导航系统中,重力扰动矢量的影响不可忽略。建立了考虑重力扰动矢量的惯导误差方程,对采用高精度惯性元件(陀螺仪零偏稳定性为0.001 deg/h,加速度计零偏稳定性为0.01 mg)的惯导进行误差仿真,对比分析无重力扰动矢量补偿(垂线偏差为5"～10",重力扰动矢量垂向分量为25～50 mGal)与有重力扰动矢量补偿(垂线偏差和重力扰动矢量垂向分量补偿精度分别为1.6"、2 mGal)两种条件下的惯导定位和姿态误差。仿真结果表明:经重力扰动矢量补偿后,24 h内惯导定位和航向误差分别减小2 nm和1′。     

重力扰动矢量对惯导系统影响误差项指标分析

针对制约现有惯导系统精度提升的重力扰动矢量误差项问题,从惯导系统误差模型入手,着重分析了重力扰动矢量水平分量(垂线偏差)在导航系统中的误差传播特性,利用简化的垂线偏差统计模型推导出导航系统位置误差均方差表达式;通过现有全球重力场高阶球谐模型(EGM2008),分析了垂线偏差全球均方差水平引起的惯导系统在典型载体运行速度下位置误差项大小,进而给出了垂线偏差补偿的误差项指标,在此基础上,分析了EGM2008在惯导系统中的适用性,结果表明,当EGM2008模型阶数小于12阶时才能满足导航系统计算资源要求,模型补偿精度为5.86?,适用于位置误差要求小于0.8 nm/h的惯导系统。     

双主惯导对子惯导的高精度传递对准方法

激光陀螺惯性导航系统在旋转调制过程中会产生锯齿形速度误差,影响舰载武器系统子惯导传递对准精度。通过分析锯齿形误差产生的机理,提出了一种基于不同旋转控制策略的双惯导数据融合方法,估计并补偿主惯导惯性元件误差,从而减小主惯导锯齿形速度误差波动幅度。仿真结果表明,补偿后主惯导速度锯齿形速度误差峰峰值减小了一个数量级,子惯导传递对准后的水平角精度提高了1.5″,方位角精度提高了3′。     

重力扰动对极区下高精度惯导系统的影响分析及补偿

考虑载体极区航行下导航能力需求,研究了重力扰动对高精度惯导系统的影响和重力扰动补偿方法。首先,推导了重力扰动矢量在横地理坐标系投影;进一步,分别将水平重力扰动分量假设为确定性常值以及马尔科夫随机量,分析其对横坐标系捷联惯导系统的影响;在此基础上,基于EIGEN-6C4重力场球谐模型获取极区重力扰动数据,并利用三次样条插值法对其进行插值处理,从而对横坐标系下惯导系统进行重力扰动补偿。理论分析及仿真实验结果表明：在横坐标下,确定性常值水平重力扰动分量将导致惯导系统产生振荡性误差以及常值性偏差,随机水平重力扰动分量将导致系统位置误差呈线性振荡增长,且位置误差漂移率与重力扰动方差成正比,并且同时受载体航行速度及马尔科夫模型阶数影响,与常规坐标系下引起的误差一致。基于2190阶EIGEN-6C4重力场球谐模型对横坐标系捷联惯导系统进行重力扰动补偿后,水平姿态精度提高68%,定位精度提高2.5%。     

捷联惯导系统的捷联算法误差补偿

用Millie提出的三子样圆锥误差补偿算法和Oleg Salychey提出了划船 误差补偿算法对相应的误差进行了补偿,并对补偿算法进行了数字仿真。仿真结果表明：所采用的误差补偿算法对提高捷联惯导系统的精度作用显著。     

双航海惯导联合旋转调制协同定位与误差参数估计

单轴/双轴旋转调制航海惯导备份配置满足了舰艇对于定位精度、可靠性、成本的综合要求,但系统间缺少信息融合。针对此问题,以单轴旋转惯导的姿态误差、速度误差、位置误差与双轴旋转惯导对应误差的差值以及两套惯导的陀螺常值漂移、水平加速度计常值零偏为系统状态,并以二者间扣除杆臂效应后的速度及位置的差值为观测量,通过联合旋转调制,改变两套系统IMU的相对姿态关系。分段常值可观测性分析表明,所有系统状态完全可观。建立了定位误差预测方程,对单轴旋转惯导方位陀螺漂移造成的定位误差进行预测补偿。实验结果表明,对单轴旋转惯导方位陀螺漂移造成的定位误差预测补偿后,其定位误差减小了30%,不仅满足了高可靠性的要求,而且提高了故障情况下的导航精度。     

单轴旋转捷联惯导系统圆锥误差分析与仿真

刚体的有限转动存在不可交换性,导致捷联惯导(SINS)在圆锥运动环境下进行导航解算时会产生圆锥误差。由于单轴旋转调制惯导(RINS)和纯捷联惯导(SINS)在圆锥环境下的运动模型不同,因此圆锥误差及其补偿效果也会发生相应改变。首先构建了单轴RINS在圆锥运动下的数学模型,其次分析了基于角速率的多子样旋转矢量算法下的不可交换性误差及圆锥误差补偿算法,然后研究了转位方案对单轴RINS中圆锥补偿项的影响,最后通过仿真验证理论分析。仿真结果表明,单轴RINS下的圆锥误差要大于SINS,采用四位置转停方案可明显降低圆锥误差,启停阶段的航向角误差比停转阶段的误差大3个数量级,基于角速率的四子样旋转矢量算法补偿精度高于其他子样算法1个数量级。单轴RINS圆锥误差分析与仿真为旋转调制惯导系统精度的提升提供了有益的参考。     

基于转台误差隔离的捷联惯导系统尺寸效应参数标定

针对捷联惯导系统尺寸效应参数标定问题,提出了一种基于转台误差隔离的改进标定方法。先标定出捷联惯导系统中加速度计间的相对位置关系,再基于尺寸效应误差最小原则,对载体坐标系原点位置进行优化,得出尺寸效应参数。克服了传统分立式标定方法的一些不足,从原理上降低了标定对转台的依赖。对于陀螺零偏稳定性优于0.005°/h,加速度计零偏稳定性优于2×10~(-5) g的捷联惯导系统:尺寸效应参数标定重复性小于0.01 mm(转速60°/s);在摇摆条件下(幅度30°,频率0.15 Hz),4000 s纯惯性导航平均定位误差由补偿前的3100 m以上减小到补偿后的150 m以内。     

杆臂效应误差对晃动基座粗对准的影响

为提高晃动基座下惯导系统的粗对准精度,增强惯导系统对准过程中对环境的适应性,采用了一种基于补偿杆臂效应误差的晃动基座粗对准算法。研究了晃动基座下粗对准原理,推导了晃动基座下粗对准算法中的杆臂速度误差项,最后通过仿真和摇摆试验对在不同扰动条件下杆臂效应误差对粗对准的影响进行了验证。仿真验证和摇摆试验结果表明：在晃动基座下,杆臂效应误差对惯导系统粗对准精度影响显著,特别是在大幅晃动基座上,当补偿杆臂效应误差后,惯导系统粗对准精度可以提高10倍以上,为进一步实现高精度快速精对准奠定了基础。     

具有短期惯导功能的平台罗经原理比较分析

具备短期惯导功能是光今平台罗经发展的主流。传统的摆式罗经、惯性导航系统和具有短期惯导功能的平台罗经系统在原理和应用上有着密切的联系和一定的差异。本文从八个方面对三者的区别和联系进行了不同深度地讨论。指出三种系统最核心的差异是找北原理的差异,其它区别多数是围绕这一差异在不同方面的表现。从这些分析中已可以较清晰地理解具有短期惯导的平台罗经系统介于传统的摆式平台罗惯性导航系统的特点和地位,这对于明确具有     

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

自适应惯性组合导航系统研究

本文研究惯性／位置组合导航技术，给出在线估计未知噪声统计参量的自适应卡尔曼滤波算法（ＡＫＦ）。首先建立组合导航系统直线飞行段和机动飞行段数学模型，并给出相应滤波算法，仿真结果证明了组合导航估计算法的可行性。所得结论对惯导／地形匹配、惯导／ＧＰＳ组合导航的研制有实用意义     

论混合式惯性导航系统

惯性导航系统是当代空、天、海、陆各类先进运载器所不可或缺的一项自主导航定位装备。简要回顾了平台式、捷联式以及旋转式惯导系统的发展历程和各自优缺点,在此基础上提出了集平台式、捷联式和旋转式惯导系统优点于一体的混合式惯导系统新技术途径。介绍了这种新型惯导系统的概念、原理、特点、关键技术,样机实验结果验证了该技术途径的优越性和可行性,为该系统的未来研发和应用提供了技术基础并指出了研究方向。     

基于北斗卫星导航技术的惯性导航系统误差估计方法

导航定位精度的提升可以提高舰艇的航行机动能力。INS是舰艇航行时可以依赖的主要自主式导航装备，原理上存在的长时间积累误差决定了必须寻找有效手段加以补偿。通过对INS误差可观测性分析，可以看出增加不同种类的外部导航信息观测量，将有效提高INS误差修正能力。围绕这一问题，对基于北斗导航定位信息的惯性导航修正效果进行了分析，仿真说明该方法可以较好提高INS性能。     

基于证据推理的惯性/景象匹配组合导航方法

针对传统的惯性/景象匹配组合导航中出现的因误匹配导致组合导航精度低的问题,设计了一种基于证据推理的惯性/景象匹配组合导航方法。在惯性/景象匹配组合导航中,使用证据推理对与景象匹配置信度相关的特征量进行融合计算,将融合计算得到的综合信度作为组合导航量测更新的依据,以降低误匹配对导航精度的影响。试验结果表明该方法可行,组合导航精度相比传统方法提高了25.9%。     

基于蜂窝网格粒子滤波的行人导航航向估计方法

为了提高低成本行人惯性导航系统的实时导航精度,针对行人惯性导航系统航向角发散问题,提出一种适用于实时行人导航系统的蜂窝网格粒子滤波算法(CSPF,cellular structure particle filter)。该方法将二维平面划分为紧密相连的蜂窝六边形区域,记录行人运动的历史轨迹信息,采用粒子滤波方法对航向误差补偿量进行估计。蜂窝网格粒子滤波算法在行人惯性导航系统的实验结果表明,引入了蜂窝网格粒子滤波的行人惯性导航方法与常规方法相比能有效改善实时行人惯性导航精度。在二维行走实验中,水平位置误差百分比由5.3%改进到1.7%;三维行走实验中,水平误差百分比由4.2%改进到2.9%。     

通过飞机停放航向判断惯导平台漂移误差方法的研究

研究了进口某型飞机通过检查飞机停放航向,间接判断机上惯导系统平台漂移误差大小这一方法的理论依据及其计算公式。该方法简单、实用,不需增加专门设备,深受部队欢迎。这一检测思路对国内从事惯导研制的人员具有重要的参考价值。     

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。     

基于UWB优化配置的室内行人导航方法

在卫星信号无法覆盖的室内条件下,行人的精确导航问题是当前研究的热点。为解决基于MEMS的微惯性导航系统误差随时间发散、航向角发散快的问题,提出了一种利用UWB辅助修正惯性导航系统,实现室内较高精度定位的方法。该方法采用基于零速修正的微惯导系统进行导航,以抑制惯导误差随时间发散,并在建筑内拐角、楼梯口等关键节点处优化配置UWB设备,采用UWB信息与微惯导数据进行卡尔曼滤波,实现对微惯导航向及位置的修正。与大规模使用UWB系统进行室内定位相比,该方法降低了系统布设成本,避免了UWB出现问题时对整体导航结果的影响,有效地保证了系统的定位精度。行走实验表明:直线行走时,微惯导最终定位误差为1.8%;转弯行走时,在UWB辅助定位下,微惯导最终定位误差小于1.0%。