基于星体测量的惯导水平姿态标定技术

水平姿态误差标定是提高测量船惯性导航系统精度的重要手段.传统的水平精度标定一般只能在实验室或坞内等静态条件下通过高精度水平仪来实现.针对动态条件下水平作差、平台旋转及经纬仪方位俯仰信息联立求解等标定方法存在标定条件苛刻、精度相对较低等局限性,提出了一种基于星体测量的惯导水平姿态标定新技术——俯仰脱靶量求解法,推导了计算公式,并对解算精度进行了系统分析.通过惯导精度鉴定及某次试验任务的检验,其解算精度在5.8″以内,具有较高的置信度.该方法解决了惯导水平姿态动态条件下标定的技术难题,为提高惯导水平姿态精度、实战数据的事后处理以及动态条件下加速度计零位标定提供了依据,对提高航天测量船总体测量精度具有重要意义.     

火箭弹大动态单轴平台惯导系统姿态算法

火箭弹在飞行中常采用滚转稳定的控制方式,其滚转角速度的动态范围很大,因此实时、准确地测量滚转角速度和滚转姿态角成为制导火箭弹控制的关键问题。大动态单轴平台惯导系统将IMU安装在沿滚转方向的稳定平台上,通过伺服电机驱动单轴平台相对于弹体反旋,隔离滚转方向的大动态角速度,为IMU提供平稳的测试环境。介绍了大动态单轴平台惯导系统的组成和功能,搭建了样机,推导了惯导姿态解算的数学模型。经过120 s半实物仿真试验,系统俯仰姿态角误差<4°,偏航姿态角误差<3°,滚转姿态角误差<25°,结果验证了整体方案的可行性和姿态解算模型的正确性。为进一步提高姿态解算精度,搭建单轴平台组合导航系统,实现全部导航信息的高精度测量打下了基础。     

天文观测角辅助的高超声速飞行器传递对准方法

针对复杂环境下高超声速飞行器的可靠、精确和快速的传递对准需求,提出了一种基于星敏感器天文观测角(高度角、方位角)的传递对准算法。以发射点惯性坐标系为导航系,分析了惯导系统在惯性系下的误差方程,提出了大失准角情况下的基于星敏感器天文高度角、方位角匹配的对准算法。针对该系统状态方程和量测方程的非线性特性,采用UKF滤波算法进行了仿真。仿真结果表明:观测星数达到两颗时,该方案可以在2 s内使得姿态角的估计误差达到13″。仿真验证了该算法的有效性,对其他高空飞行器的传递对准有一定参考价值。     

航天测量船静电陀螺监控器标定分析与应用

针对航天测量船标校经纬仪设备航向测量的局限性以及新装备的投入使用现状,分析了海上动态条件下静电陀螺监控器标定过程外界的影响因素,提出了静电陀螺监控器设备导航数据质量的分析方法.在此基础上,进行了试验数据的分析,通过与标校经纬仪测星计算的惯导航向误差比对,充分说明了该设备的良好性能,从而解决了测量船多云天气下标校经纬仪无法测星为惯导系统校准提供航向差的问题,实现了与标校经纬仪数据的互补,进而保障了航天测量船全天候海上测控的精度.     

旋转式捷联惯导系统解算结构

分析了转位机构角速度误差和角位置误差对旋转式捷联惯导系统的影响,研究了旋转式捷联惯导系统的基本解算结构,这些对提高旋转式捷联惯导系统的精度具有十分重要的意义。详细介绍了角度调整型和角速度调制型两种旋转式捷联惯导系统的基本解算结构,给出了转位机构角速度误差和角位置误差在这两种解算结构下的误差传播特性。研究结果表明,对于角速度调制型解算结构,恒定的转位机构角速度误差等效于方位常值陀螺漂移,将对系统精度产生很大的影响,转位机构角位置误差与两个水平方向的角速度互相耦合,产生两个水平方向上的角速度误差;对于角度调制型解算机构,转位机构的角速度误差和角位置误差不引入到捷联回路,对捷联回路不产生影响,但是在IMU姿态到载体姿态变换的过程中,转位机构角位置误差引起载体航向误差,且航向误差的大小与转位机构的角位置误差相等。     

基于空间目标异步观测的惯导误差快速确定

针对惯性/天文组合导航系统中大的初始状态误差影响惯导误差收敛速度的问题,在星相机观测具有先验位置信息的有限空间目标的辅助下,提出一种基于目标-恒星角距异步测量的惯导误差在线快速确定方法。首先,在星相机光轴旋转角度和视场角大小受限的情况下,设计了通过异步照相观测方式获取有效空间目标参考信息的方案;其次,在利用惯导误差状态传播模型实现异步测量信息同步处理的基础上,构建基于空间目标与恒星之间角距的非线性最小二乘优化模型,避免了星相机的光轴扰动和安装误差对测量精度的影响;最后,基于高斯牛顿法设计了两轮迭代优化估计惯导位置误差和速度误差的方法。蒙特卡洛仿真结果表明,所提方法利用对空间目标和恒星的有限观测信息,可以有效估计惯导位置误差和速度误差,在初始位置误差约十千米量级的情况下,可以估计补偿约97.73%的位置误差以及66.25%的速度误差,优化求解误差参数的计算耗时为0.0160 s。     

一种双星敏感器联合确定船体姿态方法

单星敏感器横滚测量精度偏低会影响航向测量精度,采用双星敏感器联合的方法可以有效提高船姿精度,其中关键是蒙气差修正和联合姿态确定方法。目前蒙气差修正一般采用基于恒星观测矢量的修正方法,联合姿态确定方式一般采用基于双视轴指向联合的方法。以上在蒙气差中需要引入初始船体姿态,而且修正迭代解算过程复杂,再者单星敏感器需要识别4颗以上恒星才能获得视轴指向,如果其中一个无法获得视轴指向,双星敏感器无法解算船体姿态。针对上述情况,提出了一种新的双星敏感器联合确定船体姿态的方法,包括基于恒星参考矢量的蒙气差修正方法和基于恒星观测矢量的联合姿态确定方法。基于该方法蒙气差修正不再需要初始船姿,而且在理论上只需双星敏感器各自至少有1颗可识别恒星,即可完成船体姿态角的解算。试验结果表明该方法降低了双星敏感器获取船体姿态角所需的可识别恒星数量限制,提高了双星敏感器获取船体姿态的能力。     

基于偏振光及红外传感器的辅助定姿方法

为了满足无人飞行器自主导航需求,提出了一种偏振光及红外传感器辅助惯导定姿方法。该方法选取了姿态四元数和陀螺误差模型构建滤波状态向量,采用偏振光传感器、红外传感器测量的三维姿态角作为量测向量建立卡尔曼滤波模型;融合后的最优姿态四元数转换为姿态矩阵反馈至惯性导航系统中,修正位置、姿态信息的解算。在分析了捷联惯导力学编排的基础上,参考常见的惯导系统参数进行了动态仿真。结果表明:偏振光、红外传感器可以有效地修正惯导姿态误差,修正后输出精度与偏振光、红外传感器输出精度相当,分别保持在±0.2°和±1°。提出的新型辅助定姿方法为提高惯导系统精度提供了一种新思路,具有广阔的应用前景。     

单陀螺多加速度计捷联惯性导航解算方法

六加速度计无陀螺惯导系统误差随时间发散比较严重。为了有效提高导航系统精度,提出了一种单陀螺仪多加速度计(五加速度计)的捷联惯性导航解算方法。该导航解算方法通过合理配置5个加速度计和1个陀螺仪,可不经积分而直接解算角速度,完全消除了加速度计输出方程中角加速度项的影响,能使在姿态和位置解算时分别减少1次积分,从而有效抑制误差随时间发散。给出了单陀螺多加速度计捷联惯导姿态和位置解算原理的理论推导过程,并对该导航解算方法进行了仿真。在仿真时间为80 s时,与无陀螺惯导相比,该方法的姿态解算和位置解算精度均提高了60%以上。     

航天测量船静电陀螺监控器海上动态标定

为减小海上动态条件下静电陀螺监控器标定过程外界因素的影响,提高航天测量船组合导航系统静电陀螺监控器海上测量数据的输出精度,通过对静电陀螺监控器标校过程原理的研究,分析了惯导水平姿态误差、船舶机动、标定参数耦合等因素对静电陀螺监控器标定效果的影响并进行了仿真试验,提出了静电陀螺监控器海上动态条件下进行标定的方法和航行工况保障要求。实际结果证明,通过提高惯导系统初校精度、施放减摇鳍减小船摇、减少船舶机动、改变船舶航向进行标定参数解耦等方法对提高海上动态条件静电陀螺监控器标定效果行之有效,对提高航天测量船组合导航系统数据输出精度具有重要意义。     

结合GPS测姿技术的空中修正方案研究

文中提出一种结合ＧＰＳ载波相位测姿技术对弹上惯导进行空中修正的方案。在导弹飞 行过程中，利用ＧＰＳ载波相位测姿技术确定导弹方位，结合位置信息对弹载平台的姿态误差 进行修正，使之达到精度要求。文中论述了利用双天线ＧＰＳ接收机的载波相位信号测定载体 方位的原理，采用某型国产ＧＰＳ接收机进行了静态实验，验证了使用该型接收机的技术可行 性；讨论了利用位置及方位信息估计与修正平台姿态误差的三种方案，给出仿真结果及结论。     

移动卫星天线指向矢量辅助组合导航系统方法

为弥补SINS/GPS组合导航系统姿态角误差可观测性差的缺陷,根据移动载体卫星天线捕获通信卫星后通过自搜索实现精确对准卫星的原理,提出增加天线指向矢量信息(SAPV)的方位角和俯仰角信息为系统观测量,用于辅助SINS/GPS组合导航系统.根据SINS/GPS组合导航系统数学模型对姿态角误差的可观测性进行了分析,并对SAPV与组合导航误差之间的关系进行了详细数学推导,证明了SAPV辅助组合导航系统的可行性,建立了SAPV辅助组合导航系统的数学模型,采用联邦滤波器进行数据融合.仿真结果表明,SINS/GPS组合导航系统通过SAPV辅助,方位角误差估计精度提高了1个数量级,小于10′,水平姿态角误差估计精度略有提高,小于2 ′.该方法充分利用了天线通过自搜索完成精确对准卫星后的高精度指向信息,无须添加任何硬件系统,通过简单可靠的信息融合算法即可达到提高载体姿态测量精度的目的.     

地下定向钻进姿态测量系统的设计

针对地下钻进的特殊要求,描述了一种定向钻进姿态测量系统,对系统具体的结构以及姿态解算方法同时进行了详细说明。该系统采用新型微硅加速度计和磁阻式磁强计作为姿态敏感器件,实时获取定向钻进中钻具的方位角、倾角和面向角信息。此系统具有体积小、成本低、可靠性高等一系列优点,非常适合地下钻进测量。     

基于多星同步检测的惯导误差实时测量方法

针对目前利用单星分时测量方法检测惯性导航装备姿态误差存在的疑义,提出利用多星同步检测定位定向技术实现惯导姿态误差实时测量。对测量方案进行初步设计,重点介绍大视场多星定位定向技术的基本原理和数学模型。并对星体静态检测、动态检测和星图识别等关键技术进行理论分析计算,为提高惯性导航装备姿态误差实时测量精度提供了一种可行的方法。误差分析计算结果表明,静态条件下位置精度小于100m,满足测量要求。     

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。     

基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统实现

为满足长寿命卫星对高精度、高可靠、低功耗、轻重量的姿态测量系统的需求,构建了一种基于半球谐振陀螺与星敏感器的星载姿态测量系统。针对国产半球谐振陀螺和加速度计结构特点,建立了惯性器件配置结构,完成了系统的相关标定,开发了以四元数为基础的姿态算法,利用卡尔曼滤波技术,将惯性姿态测量系统与星敏感器进行组合,实现了工程样机设计。测试表明,在实验室环境下,静态姿态精度达到13.9″(峰值),动态姿态精度达到15.4″(峰值),所研制的工程样机的精度指标能够满足高精度卫星的使用要求。     

一种适用于星敏感器的大角速度下星跟踪算法

传统的星敏感器预报方法是利用当前四元数和陀螺输出角速度来预测下帧姿态四元数,再通过预测的四元数计算视场内恒星的理想星像坐标,最后在这些理想坐标为中心的范围内来获取实际的星像坐标。但是,由于陀螺漂移的存在,随着时间的增加,预测的理想坐标与实际坐标偏差越来越大,获取实际星像坐标扫描的区域越来越大,星敏感器的数据更新率也随之降低。为此,本文提出了一种适用于星敏感器的大角速度下星跟踪算法。首先根据连续两帧的姿态偏差计算星敏感器的角速度,利用角速度来计算星敏感器当前时刻与最近上一帧的姿态偏差。然后以该姿态偏差来预报当前时刻的星敏感器姿态输出,这样不仅提高了数据更新率,而且满足飞行器在大角速度机动时单纯采用星敏感器进行姿态测控的要求。最后,采用2010年外场试验实际观星数据对该算法进行了仿真验证。     

Use of the energy integral in optimal control of the spacecraft spatial attitude

In this paper, we study the problem of spacecraft optimal rotation into the position with given attitude. The rotation takes a fixed time. The control program is optimized by minimizing the energy integral. We present the analytic solution of this problem and obtain formalized equations and computational expressions for constructing the optimal rotation program. We also present an example and the results of mathematical simulation of the spacecraft motion dynamics under optimal control, which demonstrate the practical realizability of our method for the spacecraft spatial attitude control.     

卫星惯性/星光组合自主定姿方法研究

利用星敏感器测量所得的恒星星光方向信息,采用六状态变量推广卡尔曼滤波,得到卫星姿态误差和陀螺漂移误差信息并进行相应的修正。仿真结果表明,这种方法修正效果良好,采用中等精度陀螺组件就可以实现高精度定姿;仿真结果还验证了陀螺随机误差、星敏感器测量噪声和滤波周期等因素对定姿精度的影响。     

卫星三轴姿态确定系统的光纤陀螺/星敏感器组合技术研究

为了满足卫星三轴姿态确定的精度要求，提出了基于状态估计法的星敏感器和光纤陀螺组合的方案，并设计了相应姿态确定算法。通过仿真证明：此方案能达到高精度卫星姿态确定系统的要求。