基于自适应遗传算法的三轴磁强计校准（英文）

针对MEMS磁强计的精度无法满足姿态测量系统的航向角测量要求,对磁强计的误差来源进行了模型化分析,设计了一种基于自适应遗传算法的空间椭球磁强计校准方法。首先,采取自适应遗传算法,对磁强计测量的原始数据进行空间椭球的拟合,用估计的参数进行刻度系数、软磁干扰、硬磁干扰与零位偏置的综合误差补偿。其次,利用最小二乘法求解出非正交轴的方向余弦,进行非正交误差和安装误差的补偿。最后,将该方法应用到某姿态测量系统中,分别用未补偿和补偿后的数据进行姿态测量实验,实验结果表明该方法准确计算出磁强计的误差参数,使补偿后的航向角精度提高了6.8倍。     

基于互补滤波的动中通天线姿态估计

为了满足低动态下天线稳定的要求,构建了一个基于微机械陀螺、加速度计和磁强计组合的动中通低成本姿态测量系统.该系统利用加速度计重力场分量估计的倾角和磁强计地磁场分量估计的航向角作为辅助信息,校正陀螺漂移误差.根据陀螺与辅助传感器的互补特性,设计一个多轴互补滤波器,利用陀螺的高频分量和辅助信息的低频分量估计姿态角.根据载体机动状态调整控制器参数,使滤波器能自适应选择交接频率,减小机动加速度对姿态估计的影响.实验结果表明,互补滤波能有效地估计出姿态,系统的动态估计精度在±2°内.     

空间稳定惯性导航系统参数的姿态误差标校法

为提高空间稳定惯性导航系统的姿态精度,利用姿态误差进行系统级参数标定和校准.首先,给出了姿态误差模型,考虑陀螺漂移、加速度计误差、壳体翻滚失准角、安装误差和框架角零偏的影响;接着,利用姿态误差模型进行可辨识性讨论和分析,总结出能分离的参数和标定方法,并据此设计试验方案.获得姿态误差后,结合最小二乘法和姿态误差模型进行系统级参数标定和校准,结果表明,参数标定误差小于15％的姿态精度指标,校准后,纵横摇角和航向角精度提高了60％和40％.     

基于自适应UKF算法的MEMS陀螺空中在线标定技术

为保证微型卫星定位应用中系统精度与稳定性,需要对姿态传感器进行实时在线标定.在无外界姿态参考时,提出一种用三轴磁强计测量值来实时估计MEMs陀螺的零漂误差的方法,采用UKF滤波算法,将陀螺漂移作为滤波状态向量,通过建立三轴磁强计测量微分方程,作为系统量测方程实现陀螺漂移的最优估计.针对磁强计测量信息易受干扰导致滤波量测模型不准确的问题,将自适应因子引入到UKF中,通过在线监控和调整测量误差,减少陀螺标定的估计误差,增强系统性能.实验结果表明,经过标定,MEMS陀螺精度提高约30%,并且在磁强计有外界干扰时,陀螺的标定结果收敛.将标定后的MEMS陀螺进行姿态解算,其动态误差小于2°.     

基于椭球曲面拟合的三维磁罗盘误差补偿算法

针对现有三维磁罗盘误差补偿速度慢、需专用转台、野外使用不便的问题,提出了一种建立总磁场的不等边椭球曲面数学模型进行误差补偿的方法.首先根据Poisson方程描述的总磁场测量模型,得出一般椭球曲面模型,然后,采用牛顿迭代法对椭球曲面方程线性化,分别使用最小二乘法和总体最小二乘法计算线性化方程,推导椭球曲面拟合的数学公式,计算椭球曲面参数,最后,利用最小二乘法提出并推导参数初值的计算公式,给出了选取数据点的方法.实验结果表明,仅手持磁罗盘在各象限旋转即可实现误差补偿,航向测量精度可达0.8°,补偿精度与传统的转台补偿基本相同,而补偿方式更为灵活,适用于无转台设备的野外环境测量使用.     

一种小型无人倾转旋翼机全包线飞行的参数估计方法(英文)

小型无人倾转旋翼机的核心是飞行控制系统与捷联惯性导航系统(SINS)。针对小型无人倾转旋翼机的不同飞行模式设计了一套线性、计算效率高的捷联导航算法,为控制系统提供真实可靠的反馈参数。在直升机悬停与小速度飞行模式,利用加速度计与磁强计的输出计算测量姿态角并根据角度与角速率的关系设计低阶线性姿态估计算法,递推解算出MEMS陀螺的漂移特性,并实时补偿测量的角速率。在倾转与飞机飞行模式飞行器具有持续加速与高速的飞行特性,利用磁强计解算当前航向并引入GPS的速度与位置参数,设计了基于误差的线性Kalman滤波器,提高持续加速飞行状态的姿态估计精度。数值仿真表明在全包线飞行过程中设计的捷联导航算法具有良好的测量精度,并利用小型无人倾转旋翼机的飞行试验,验证了算法的估计性能与可靠性。     

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。     

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°.     

壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法

为了提高空间稳定惯性导航系统的姿态角测量精度,建立了壳体翻滚失准角模型,给出了从壳体翻滚失准角幅值和初始相位到当地水平坐标系下的姿态转换矩阵的传递规律.利用静态下平台运动学方程中壳体翻滚失准角与框架角的定量关系,进行了壳体翻滚失准角模型最小二乘辨识方法仿真,结果表明模型系数估计精度是足够的.针对实验系统,经过模型补偿,姿态角计算误差峰峰值小于0.5′.     

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。     

基于轨迹约束的地磁场测量误差修正方法

根据磁强计综合误差的数学模型,提出了一种基于轨迹约束的地磁场测量误差修正的方法,同时也对该方法的有效性进行了分析.该方法首先由磁强计的测量数据,根据椭球轨迹的约束,采用最小均方估计作为判断准则,估计12个误差参数,然后利用此参数获得准确的地磁矢量信息.理论分析和仿真验证表明,在某些情况下,轨迹约束修正算法是不可观测的,也给出了检验不可观测存在的方法.由软磁干扰引起的误差不同于磁强计本身误差和安装误差.在出现由软磁干扰引起的误差时,轨迹约束修正算法仅仅能提供12个误差参数中的9个,其余的3个参数需要借助外在的信息来估计.     

利用磁强计及微机械加速度计和陀螺的姿态估计扩展卡尔曼滤波器

提出了一种用于惯性测量组合(IMU)姿态估计的扩展卡尔曼滤波器。此滤波器的状态转移阵利用基于四元数的等效旋转矢量来计算姿态。等效旋转矢量法可以避免欧拉角的奇异问题，并能有效抑制不可交换误差。测量四元数是利用高斯-牛顿迭代法解算以加速度计和磁强计输出数据为变量的方程组得出的。用从实际IMU采集的数据对滤波器进行测试，并比较了带有滤波器和没有滤波器的结果。     

敏感器正常和故障模式下微小卫星的姿态确定方法

围绕某日-地空间环境组网探测系统中微小卫星定姿系统的设计需求,基于MEMS陀螺、小型CMOS太阳敏感器、微磁强计,研究了该微小卫星各敏感器正常工作模式以及敏感器故障模式下的系统建模和姿态确定方法。各敏感器正常工作模式下,用陀螺、太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;陀螺故障时,用太阳敏感器和磁强计进行组合定姿;太阳敏感器故障时,用陀螺和磁强计进行组合定姿;陀螺/太阳敏感器同时故障时,用磁强计进行定姿。仿真结果表明,本文定姿方法的姿态确定精度满足该系统中微小卫星在轨运行时的定姿精度要求,为该微小卫星的半物理仿真系统的研究及其在轨运行时的姿态确定提供了依据。     

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。     

简化超球体SRUKF的GPS/MIMU组合姿态估计

针对加速度计、磁强计易受机动加速度和周围环境影响的问题,提出了一种单基线GPS/MIMU组合姿态估计方法。该方法利用单基线GPS天线代替磁强计提供航向信息,并利用GPS的速度信息对加速度计输出的机动加速度分量进行补偿,构成单基线GPS/MIMU组合姿态确定单元。同时考虑实时性要求,在SRUKF的基础上,引入加性非扩展形式和超球体单形采样,提出了简化超球体平方根UKF算法,通过减少状态维数和采样点的数量,降低算法计算量。建立加性噪声下的单基线GPS/MIMU姿态模型,并采用简化超球体平方根UKF算法进行姿态估计。实验结果表明,单基线GPS的速度信息可以有效提高加速度计对水平倾角的确定精度,姿态估计算法收敛后的最大误差小于0.8°,估计精度与UKF相当,且执行时间仅是UKF的42%。     

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。     

一种改进的速度加姿态匹配快速传递对准算法

给出了一种针对工程应用的改进快速传递对准算法。推导了速度及主子惯导z轴安装误差角量测构造方法,给出了基于速度加z轴安装误差角量测的降阶快速传递对准滤波器模型。通过仿真测试了降阶滤波模型的对准性能。最后利用协方差分析方法针对性分析了航向误差对主要未建模误差的敏感程度,结果显示:摇翼机动条件下30 s时航向误差收敛到0.1°内,航向误差主要受主惯导航向误差及z轴挠曲变形的影响,对主惯导数据时间延迟不敏感。该方法兼具传统速度加姿态匹配算法的优点,又避开了其在摇翼机动时对时间延迟、挠曲变形敏感的缺点。     

近钻头钻具多源动态姿态组合测量方法

在导向钻井系统的姿态测量过程中,由于近钻头强振动的影响,导致姿态参数测不准甚至不可测,为了消除有规律的干扰、振动等对测量准确性的影响,快速解算出准确的钻具姿态,提出一种新的多源动态姿态组合测量方法。采用三轴加速度计、三轴磁通门以及角速率陀螺仪等构成测量系统,建立基于四元数的姿态测量非线性模型,研究钻具运动状态与振动加速度之间的关系,根据模型及噪声特性,采用基于四元数的无迹卡尔曼滤波方法对振动干扰信号进行滤除。试验结果表明,采用提出的方法能够消除近钻头干扰对姿态参数测量的影响,井斜角在5.2°左右,工具面角误差小于10°,有效地提高了导向钻井工具姿态动态测量的准确性。     

微小型航姿测量系统及其数据融合方法

以小型无人机航姿测量系统的微小型化为背景,利用MEMS惯性测量元件研制了一种低成本微型航姿测量系统.针对MEMS器件用于载体航姿测量时精度低、易发散的问题,提出一种计算量小、实时性强的加速度信息、磁场强度信息、陀螺信息的融合方法.采用卡尔曼滤波器对系统的俯仰角、滚转角和航向角的误差进行最优估计;设计数据融合的判别准则,并根据判据的判断结果调整卡尔曼滤波器中的量测信息,使系统可用于小型无人机的定高自主飞行.实验结果表明,系统输出航姿的更新频率可达100Hz,航姿测量误差小于0.6°,航姿标准差小于0.09°;将其应用于某小型固定翼飞行器的飞行控制系统中进行自主飞行实验,完成了预定的飞行任务.