外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析

为了适应惯导系统的长期稳定使用和避免从机组上拆装的麻烦,实现惯组的外场标定是非常有意义的。在不依赖转台等设备的条件下,分析了仅依靠速度误差和位置误差信息时激光陀螺捷联惯组的误差参数的可观测性问题。首先从外场条件下系统误差的动态方程出发分析了捷联惯组的误差状态（姿态误差以及陀螺和加速度计的六个常值漂移）的可观测性并且进一步分析了误差状态估计的收敛速度以及受观测噪声的影响程度。分析表明,单一位置条件下在没有精确初始姿态误差信息的情况下惯性仪表零偏是不可观测的,为了较精确地估计出惯组的误差系数需至少将惯组摆放三个位置。最后对理论分析结果进行了仿真验证。     

基于速度阻尼的双轴旋转式激光陀螺捷联惯导标定方法

惯性元件参数的长期稳定决定着惯导系统的精度,目前对于激光陀螺捷联惯导系统(RLG-SINS)主要是采用系统级旋转调制技术来实现高精度导航能力,同时系统级旋转也提高了初始对准精度以及惯性元件误差的可观测性。针对激光陀螺惯导系统惯性元件误差项的特点,同时结合分立式标定与系统级标定各自的优势,设计了一种水平阻尼模式下的Kalman滤波方案,利用双轴旋转机构,通过观测导航位置误差来实现初始对准以及部分惯性元件误差参数的标定,可以有效地减小惯性元件逐次启动误差对导航精度的影响。仿真结果表明,系泊状态零速度阻尼模式下工作4 h,可以标定出石英加速度计标度因数误差、零偏与激光陀螺零偏,共计9项误差参数。加速度计零偏估计误差小于2%,陀螺零偏估计误差小于8%,误差估计精度满足高精度惯性导航要求,该方法具备一定的工程实用性。     

激光捷联惯导系统的外场动态标定方法

激光捷联惯导系统的误差参数随着时间的推移会发生变化,为了实现惯导系统长期稳定使用且不拆装系统,需要对外场动态条件下激光陀螺捷联惯导系统的系统级标定方法进行研究.首先根据线性时变系统的可现测性判据详细地分析了动态条件下捷联惯导系统的可观测性,从而给出了完全激励惯导系统12个误差参数(加速度计零偏、标度因数误差以及陀螺零偏...     

激光陀螺捷联惯导系统外场快速标定新方法

针对激光陀螺具有标度因数稳定、漂移误差变化小的特点,建立了适合激光陀螺捷联惯导系统的陀螺及加速度计组件简化误差参数模型,推导出了适合激光陀螺捷联惯导系统外场快速自标定的误差模型,设计了激光陀螺捷联惯导系统9位置系统级标定方法,并通过试验验证了该方法可快速准确的标定出加速度计组件的标度因数、安装误差、零偏及激光陀螺安装误差等15个主要参数,方法简单易行。     

一种锚泊条件下捷联惯导系统级标定方法

捷联惯导的误差参数标定,一般是在实验室静基座或外场轻微晃动干扰基座下进行的,不能满足舰船出海期间在锚泊条件下对捷联系统进行标定的需求。针对此问题,提出了一种舰船锚泊条件捷联系统级标定方法。通过设置合适的卡尔曼滤波器量测误差参数和延长系统级标定时间,来减小锚泊运动的影响,使系统级标定结果准确稳定。通过设置不同的惯导系统误差,进行多次锚泊条件系统级标定仿真,对所提方法进行验证。仿真结果表明,在经过系统级标定后,加速度计零偏误差小于10μg,陀螺和加速度计的刻度系数误差小于30ppm,两者的安装误差角小于10'。舰船锚泊条件系统级标定方法可以在舰船出海后不依赖外部测量信息标定惯导的部分参数,具有一定的应用参考价值。     

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。     

外场条件下激光捷联惯组多位置标定方法精度分析

从标定算法误差和位置编排对标定精度的影响两个方面对外场激光惯组多位置标定方法的标定精度进行了分析。证明多位置标定中由粗对准姿态角代替精确姿态角所产生的误差为二阶小量,而对加表等效天向误差和陀螺等效北向误差的估计误差会直接影响标定精度。数学仿真表明对于加表零偏10-4g,加表标度因数10-4和陀螺零偏10-2 deg/h数量级的激光惯组,该多位置标定方法的估计精度高于相应误差参数本身2个数量级,说明该方法具有较高精度。在优化位置和非优化位置条件下,多位置标定方法精度的仿真结果在同一个数量级,说明该多位置标定方法对位置编排不敏感。     

基于双惯导系统协同的全参数在线标定算法

针对外场环境下没有准确外界参考信息时惯导系统的标定问题，提出了一种基于双惯导系统协同的全参数在线标定算法，其中惯导1为正常工作的双轴旋转惯导系统，惯导2为待标定的具备双轴转位机构的惯导系统。不依靠外界基准信息，在保证惯导1独立工作的前提下，以两套惯导间的相对速度、相对位置作为状态约束观测，利用卡尔曼滤波对惯导2的全误差参数进行标定。通过蒙特卡洛仿真、实物实验和不同时段的协同标定实验对算法的有效性进行了验证，结果表明：在船载冗余惯导系统协同标定的条件下，所提算法对惯导2陀螺标度因数的标定精度优于0.2 ppm (1σ)，加速度计标度因数的标定精度优于0.6 ppm (1σ)，安装误差的标定精度优于1.5"(1σ)；惯导2的标定精度不受惯导1绝对误差的影响，在运动状态下也能进行自主标定。     

激光陀螺捷联惯导系统参数稳定性与外场自标定

惯导系统参数稳定性是决定系统精度的重要因素。基于激光陀螺捷联惯导系统参数稳定性统计分析,建立了适合激光陀螺捷联惯导系统外场自标定的加速度计组件误差参数模型。以惯性组合转动后重新调平的水平姿态修正量以及静态下重力测量误差为观测量,不依赖外界方向姿态转角等基准信息,实现了加速度计组件主要误差参数在外场条件下的自标定,并给出了标定参数的修正方法。实验表明,常温下加速度计组件的标定参数发生明显变化,采用外场标定方法可对其进行修正,相应的水平姿态最大误差由65″减小到10″。该方法标定精度好,标定时间短,操作简便,且对基座不稳造成的瞬时姿态小扰动影响有抑制能力。     

一种IMU全零偏快速标定方法

捷联惯导系统的测姿、测速及定位精度主要受IMU零偏的影响,显然,标定并补偿IMU零偏可提高系统的导航性能。传统的对准采用多位置、设定的机动增加可观测性来估计IMU零偏,但仍存在某些零偏不可估计,且滤波收敛过程需要较长时间的问题。针对该问题,借鉴解析粗对准捷联矩阵非正交、非单位化误差与北向、天向陀螺及天向加速度计零偏关系,提出了一种三位置IMU全零偏快速标定方法。分别将IMU三轴朝上采集2分钟静态数据,全过程仅需6分钟,可获得IMU全部零偏,此法较适用于外场零偏标定。仿真以及实际战术级IMU试验表明,该方法能快速有效地对IMU全部零偏进行标定,同时对准、纯惯性导航验证试验表明补偿标定零偏后获得更高对准精度及导航性能。     

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.     

低成本IMU的多位置旋转现场标定方法

针对低成本IMU的系统误差难以现场快速标定问题,提出了一种无需任何外部设备辅助的多位置旋转现场标定方法。该方法通过比力加速度与重力建立加速度计的误差模型,基于动态旋转以及标定后的加速度建立导航方程实现陀螺仪误差建模,使用改进的LM算法,实现低成本IMU误差参数的快速标定。实验结果表明:该方法可以有效地标定出加速度计和陀螺仪的安装误差、缩放因子和零偏误差,极大地简化了标定的过程,标定补偿后的IMU原始数据质量大幅提高,在100 s的静态导航试验中,x、y、z的定位精度分别从2541.547m、895.191m、7267.507m提升至80.229m、41.430m、99.832m。     

混合式光纤陀螺惯导系统在线自主标定

混合式光纤陀螺惯导系统IMU的安装误差、光纤陀螺的漂移及标度因数等参数会随着时间发生变化,对系统误差产生影响,使系统在使用一段时间之后精度发生变化,因而需要重新标定。在混合式系统中,通过台体旋转调制,惯性元件常值漂移误差对系统的影响得到抑制,但安装误差和标度因数误差对系统的影响无法得到完全调制,这些误差会与地速及旋转角速率耦合,引起锯齿形速度误差,降低了系统的各项性能。针对混合式惯导系统,建立了IMU误差模型,设计出一种在线自主标定方法,并进行了可观性分析。该方法采用"速度+位置"匹配,对惯导系统30项相关误差项进行在线标定。系统实验结果表明,系统级在线标定参数较分立式标定参数在导航定位精度上提高了半个数量级。     

惯性测量组件整体标定技术

研究了惯性测量组件中陀螺与加表的标度系数、零偏、安装耦合误差等的标定问题。建立了陀螺与加表的输入输出模型,提出了在三轴摇摆转台上利用六位置试验法对加表标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法;提出了在三轴摇摆转台上利用正负对称的多组速率试验法以及最小二乘法对陀螺标度系数、零偏、耦合误差进行标定的方法,以及利用六位置试验对陀螺与g有关量进行标定的方法。详细介绍了组件输出参数的测量方法并推导误差计算公式。理论分析表明,该方法可在三轴转台上通过位置与速率试验一次性标定出测量元件的相关误差,具有一定的工程应用价值。     

A Study of the Influence of Calibration Uncertainty on the Global Uncertainty for Digital Image Correlation Using a Monte Carlo Approach

Stereo digital image correlation (DIC) is now a standard measurement technique. It is, therefore, important to quantify the measurement uncertainties when using it for experiments. Because of the complexity of the DIC measurement process, a Monte Carlo approach is presented as a method to discover the magnitude of the stereo-DIC calibration uncertainty. Then, the calibration errors, along with an assumed sensor position error, are propagated through the stereo-triangulation process to find the uncertainty in three-dimensional position and object motion. Details on the statistical results of the calibration parameters are presented, with estimated errors for different calibration targets and calibration image quality. A sensitivity study was done to look at the influence of the different calibration error sources. Details on the best approach for propagating the errors from a statistical perspective are discussed, including the importance of using a “boot-strap” approach for error propagation because of the covariance of many of the calibration parameters. The calibration and error propagation results are then interpreted to provide some best-practices guidelines for DIC.     

车载SINS/DR组合导航系统的在线标定方法

惯导系统中陀螺漂移和加速度计零位存在逐次启动不重复性误差,需在一定时期内频繁拆卸进行标定,增加了较大的工作量。从工程实用和维护的角度出发,提出了一种针对于车载组合导航系统的在线标定方法。该方法用卡尔曼滤波作为估计工具,利用里程计获得辅助信息,将惯导系统与里程计的位置和速度的差值作为量测值,通过设计接近于一般跑车实验过程的路径对待标定的误差项进行有效激励。仿真卡尔曼滤波结果表明,在一定的时间内各误差项根据车行轨迹进行逐步收敛,实现了在一般跑车实验中不拆卸惯性器件而达到标定的目的,且在精度上较 SINS 有了明显的提高。这种在线标定的处理方法给实际使用和维护带来了很大的便利,具有一定的工程实用性。     

双轴旋转式SINS自主标定技术

在双轴旋转式SINS中,惯性元件常值漂移误差对系统的影响可以得到调制,但安装误差和标度因数误差对系统的影响无法得到调制,同时这些误差会与旋转角速率耦合,引起速度锯齿波等误差从而降低了系统的各项性能指标。为了减少这种影响,分析了光学陀螺双轴旋转式SINS误差传播特性,利用奇异值分解法对系统的可观测程度进行了分析,经分析,与转动轴相关的安装误差和标度因数误差的可观测度较好,据此设计了系统的自主标定方案及滤波算法,进行了数字仿真和半实物仿真验证试验。试验结果表明,利用设计的自主标定方案,在1 h内能估计出转轴上两个陀螺的标度因数误差及与转轴相关的四个安装误差,估计精度能达到95%以上。导航试验验证表明,利用自主标定的参数,相对于传统标定方法,使系统定位精度提高了20%。     

基于方位旋转调制的平台式惯导系统“一点校”

为了提高惯导系统长时间导航精度,需要在导航阶段对系统进行综校。设计了一种基于方位旋转调制技术的平台式惯导系统一点校方案。方位旋转调制技术可以有效地调制水平惯性敏感元件误差,降低其对系统工作精度的不利影响,这为"一点校"方案的实施提供了前提。分析了方位旋转式平台惯导系统的误差模型,得到了系统误差与误差源之间的解析关系。通过分析研究系统的误差传播特性,建立了方位陀螺漂移与系统位置误差的数学模型,完成了方位旋转式平台惯导系统的"一点校"方案设计,通过系统试验验证其有效性,方位陀螺常值漂移为0.003(°)/h的条件下,经10 h一点校,40 h一点校后,72 h定位误差小于1nmile,航向误差小于1′。