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。     

旋转式惯导系统的标度因数误差效应分析

旋转式惯导系统的标度因数误差效应理论分析关系系统的设计和精度的提高。从旋转式惯导系统的误差传播方程出发,推导了光学陀螺旋转式惯导系统中由于标度因数误差引起的数学平台角度误差表达式,并以此为基础,分析了非对称性标度因数误差的自动补偿效应、地球自转与对称性标度因数误差的耦合效应、转轴方向上的标度因数误差效应等现象,最后得到了要减小或者消除这些误差效应所应该注意的原则和结论。分析表明,合适的双轴转动方案能够补偿全部三个陀螺的非对称性标度因数误差;采用三轴或者三轴以上的转轴,能消除对称性标度因数误差与地球自转耦合引起的导航误差;为防止对称性标度因数误差和转位运动耦合而引起的大的导航误差,应采用正反转相结合方案。     

基于格网系的双航海惯导定位信息融合

在双轴、单轴旋转调制激光陀螺航海惯导备份配置中,主惯导双轴旋转调制航海惯导故障情况下,针对备份系统单轴旋转调制航海惯导定位精度受方位陀螺常值漂移影响的问题,提出了双航海惯导定位信息融合方法。在格网系下设计了两套系统的联合误差状态Kalman滤波器,以系统间位置参数的差异为观测量,对惯性器件的确定性误差进行估计;建立了定位误差预测模型,对单轴旋转调制航海惯导的确定性定位误差进行预测补偿;通过滤波器、预测模型在地理系与格网系间的相互转换,实现了定位信息融合算法的全球适应性。最后通过仿真、实际系统实验进行了验证,结果表明:对单轴旋转调制航海惯导的定位误差预测补偿后,与补偿前相比其定位误差减小了30%,进而保证了主惯导双轴旋转调制航海惯导发生故障情况下系统的定位精度。     

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。     

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。     

一种改进的双轴旋转惯导系统十六位置旋转调制方案

旋转调制方案是决定旋转式惯导系统导航精度的一个重要因素。针对双轴旋转调制惯导系统,为更好地调制各项惯性器件误差,提出了一种改进的十六位置调制方案。该方案不仅能够调制常值零偏、安装误差、对称性标度因数误差、非对称性标度因数误差,还能够有效地减小陀螺安装误差引起的速度和位置误差振荡。仿真结果表明,该方案能够将安装误差引起的速度和位置误差的振荡幅值降低至1/3;在目前的惯性器件水平下,采用该方案能够实现1 n mile/5day的定位精度。     

非对称冗余惯导的在线标定与容错估计反馈策略

为保证惯性导航信息的可靠性，在体积与成本受限的情况下设计了一种非对称冗余惯性导航系统，包括FOG-INS和MEMS-INS两套惯导。无故障时FOG-INS输出导航信息并利用序贯变分贝叶斯卡尔曼滤波在线标定MEMS惯性器件误差，估计结果的指数加权收敛度被映射到统一闭区间内实现标准化评价。诊断出FOG-INS故障后，估计反馈策略将基于标准化评价结果补偿MEMS惯性器件误差，校正MEMS-INS并输出导航信息。仿真实验结果显示，经过0.8 s的检测延时，故障后基于变分贝叶斯卡尔曼滤波的MEMS惯导y轴陀螺漂移、z轴陀螺漂移的估计相比于标准Kalman滤波分别提升了80.80%和67.76%，发生故障60 s后完成误差校正的MEMS-INS水平位置误差相比于不校正时减小了33.59%，有效保证了惯性导航信息的可靠性。     

舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术及未来发展

光纤陀螺在随机误差方面表现出极佳的性能优势,并不断向超高精度方向发展。结合所在研发团队近几年的最新研究成果,分析了高精度光纤陀螺及惯导系统的发展现状。重点突破了超高精度光纤陀螺的结构设计与仿真、超长细径大直径精密环圈设计、误差抑制与标度提升以及陀螺极限精度测试等关键技术,研制的高精度光纤陀螺Allan方差探底值测试精度达到0.000005°/h。同时,介绍了平台旋转调制与载体角运动隔离、热/磁引起的航向效应误差抑制及残差补偿、高精度重力场误差模型构建与补偿等系统技术。首次开展了水下长航时自主导航试验,验证了舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术的可行性和优势。最后对高精度光纤陀螺及惯导系统未来发展进行了展望。     

一种双惯导组合导航方法

一些舰艇装备两套或多套惯性导航系统。为提高这些舰艇导航信息输出的精度和稳定性,提出一种双惯导组合导航方法。从惯性导航系统的误差特性出发,分析了固定指北惯性导航系统和台体方位旋转惯导系统的误差特性,并根据两种惯导系统的不同误差特性,设计了Kalman滤波组合导航控制方案,通过仿真验证了组合导航控制方案的效果。仿真结果表明,采用该方法后,在不增加任何硬件成本的基础上,能够提高导航信息输出精度和稳定性。例如,当陀螺漂移为0.002(°)/h,加速度计零偏5×10-5 g时,固定指北惯导24 h定位误差约为2.8 n mile,速度误差波动约0.2 kn,台体方位旋转惯导系统24 h定位精度约为1.7 n mile,速度误差波动约0.5 kn;当采用组合导航控制时,组合输出24 h定位精度约1.5 n mile,速度误差波动约0.15 kn。     

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应分析

旋转式光纤捷联惯导系统的误差效应研究关乎系统的设计和精度的提高.在建立惯性元件误差模型的基础上,分析了系统的旋转调制原理,推导了惯性元件的零偏、安装误差、标度因数误差和随机误差在单轴单方向旋转下产生的误差效应,仿真研究了转速大小对系统精度的影响.结果表明,旋转调制可以有效补偿与转动轴垂直方向惯性元件的零偏,且转速越大效果越好;旋转调制会引入额外的标度因数误差效应,且转速越大误差越大.在设计旋转式捷联惯导系统时,要求惯性元件的标度因数误差和安装误差尽可能小,并且转速不宜过大,采取正反旋转相结合的方式可以取得更显著的误差补偿效果.     

单轴旋转对惯导系统误差特性的影响

分析了单轴旋转惯导系统自动补偿的基本原理,对陀螺和加速度计常值漂移、安装误差、标度因数误差等因素在单轴旋转下的调制情况进行了研究。通过仿真分析了转动速度对各种误差的影响规律,指出了实际系统旋转速度和方式的选择要综合考虑陀螺的常值漂移和标度因数误差的影响。利用激光捷联惯导系统在实验室中进行了单轴旋转IMU实验,其定位精度优于1nm／24h。研究结果可以为单轴旋转惯导系统的进一步优化和工程设计提供理论参考。     

旋转-静止混合对准方案在旋转火箭弹中的应用

由于成本考虑,旋转火箭弹捷联惯导系统中使用中低精度陀螺,利用传统的初始对准方法,对准精度难以满足要求。针对旋转火箭弹的特点,提出了一种旋转调制的非线性对准方法,利用该方法,Y轴和Z轴陀螺的随机漂移得到调制,从而提高了对准精度。针对单纯旋转调制对准无法精确估计陀螺漂移的缺点,提出了一种旋转—静态混合对准方案,利用旋转调制的对准结果,在静止段对陀螺漂移进行精确估计。仿真结果表明,由两个精度为0.2(°)/h和一个精度为0.01(°)/h的陀螺组成的捷联惯导系统,在230 s内对准误差小于0.05°,同时可准确估计出三个陀螺的漂移。该方案具有一定的工程实用价值。     

法向量位置模型下旋转调制惯导极区综合校正算法

为抑制极区惯性导航系统随时间积累的导航误差，提出一种基于法向量位置模型的综合校正算法，对旋转调制惯导系统的等效方位陀螺常值漂移进行了估计。在法向量位置模型下建立了位置误差与漂移角之间的数学模型，推导了漂移角和等效方位陀螺常值漂移的方程，在外水平阻尼条件下设计实现了综合校正算法。基于北极实际航测数据的处理试验结果表明，提出的综合校正算法具有全球适用性，能够估计等效方位陀螺常值漂移以提高导航定位精度，采用所提综合校正算法后的归一化定位误差相比于阻尼后的结果大约减小53%。     

载体运动对双轴连续旋转调制式惯导方案误差的影响

引入系统级旋转自补偿技术可以提高惯性导航系统的精度,该技术是指对整个IMU施加旋转运动从而改变元器件的工作方式,使元件误差得到调制,在进行积分时调制后的误差在一个周期内得到抵消.在捷联式惯导系统中,当载体处于动态时,标度因数误差和安装误差与惯性传感器的输出产生耦合,旋转调制对系统的补偿效果将受到影响.改进的途径一是提高元件标度因数稳定性,减小系统安装误差角;二是隔离载体运动,即减小陀螺仪和加速度计的输出值.本文通过对比分析在静态和动态条件下双轴连续旋转调制式惯导的误差方程,解释了载体运动对旋转调制效果的影响机理,并通过数字仿真验证了载体运动对系统补偿效果的影响.分析和仿真发现,在静态和动态条件下旋转调制都可以提高系统的精度,而在静态条件下或者在通过环架结构隔离了载体运动后旋转调制的效果相对于动态下有较为明显的提高.     

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′。     

单轴旋转惯导系统转轴陀螺常值漂移综合校正方法

为提高单轴旋转惯导系统长时间的导航工作精度,根据单轴旋转惯导误差方程阐述了单轴旋转惯导的自动补偿原理,指出转轴方向陀螺漂移是引起系统位置误差发散的最主要的误差源。在动基座条件下,建立了转轴陀螺常值漂移与系统经度误差之间的数学模型,根据经度误差即可估计转轴方向的陀螺常值漂移,实现系统转轴方向陀螺的常值漂移综合校正。利用计算机仿真方法验证了所给数学模型的合理性,利用建立的数学模型,只要获得一次准确的位置信息,即可对系统位置进行重调,并且实现对系统转轴方向陀螺漂移的估计与补偿,实现系统的综合校正。转轴方向陀螺漂移经过补偿后,其精度由0.002(°)/h提高到0.0005(°)/h,并给出了对系统进行综合校正的较佳时机。     

光纤陀螺捷联惯导系统中陀螺误差传播特性

针对光纤陀螺误差的特点,研究了陀螺误差源在惯性导航系统的传播机理与传播过程。根据捷联惯导误差方程,推导了四元数漂移误差与角增量误差的关系,重点研究了随机游走误差和导航姿态误差的统计关系。通过实验和仿真,分析了随机误差(白噪声和有色噪声)对导航精度的影响。研究结果表明,光纤陀螺随机游走误差不影响导航精度。     

一种新的旋转调制捷联惯导系统

随着光学陀螺等对重力加速度不敏感的陀螺器件的逐渐完善,一种源于静电陀螺的旋转调制技术备受关注,从而建立基于相对廉价的光学陀螺的高精度惯性导航系统成为可能.通过对单轴和双轴旋转调制技术原理和局限性的分析,提出了一种四陀螺双单轴旋转调制捷联惯导系统,并详细分析了旋转轴的不对准误差、惯性器件测量轴的不对准误差、常值漂移误差、...     

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。     

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′。