基于统一横向坐标系的极区地球椭球模型导航方法

针对现有横向坐标系惯导编排在极区导航应用中导航参数转换复杂、不同导航系统间信息交联困难等问题,提出了一种基于统一横向坐标系的极区地球椭球模型惯导编排方案,由传统地球坐标系绕y轴旋转-90°定义横向坐标系,实现横向地理坐标系和格林尼治格网坐标系的统一,解决参数转换与信息交联问题。在此基础上,推导了基于地球椭球模型的惯导编排方案,并解决了统一横向坐标系下横向经纬线不正交的问题。最后,通过中高纬度地区进行惯导实测数据解算与极区仿真试验,验证了坐标系在极区的正确性和适用性。极区仿真所得误差结果 48 h内各项误差符合惯性元件引起的系统误差发散规律,满足极区导航要求。     

基于虚拟圆球法向量的极区惯性导航算法

提出了一种基于虚拟圆球法向量位置表示的具有全球范围适用性的惯性导航算法。避免了横坐标系、格网坐标系极区导航算法中参考椭球模型下曲率半径近似计算带来的误差问题,且不需要在极区算法和非极区算法之间进行复杂的切换。与地球坐标系下惯性导航算法相比,由于高度通道和水平通道的导航解算分开,便于通过阻尼抑制高度通道的误差发散问题。分别建立了高度通道和水平通道的误差微分方程,对极区和非极区惯性导航进行了统一的更加精确的误差特性分析。基于实际航海导航试验数据的仿真结果表明,相比横坐标系、格网坐标系极区导航算法,提出的极区导航算法形式简洁易实现,精度略高,且具有全球适用性。     

基于横向地球坐标的惯性导航方法

针对极区经线迅速收敛于极点造成的传统惯导机械编排在极区不适用问题,提出了CGCS2000地球椭球体模型下基于横向地球坐标的惯性导航方法。在构建横向坐标系及伪经纬网的基础上,给出了横向惯导与传统惯导间导航参数的转换关系,推导了横向地理坐标系机械编排,建立了系统误差模型,并以某型船舶为例,通过系统性能的静基座、动基座仿真分析,研究了基于横向地球坐标的惯性导航方法在极区的适用性。仿真分析表明,基于横向地球坐标的惯性导航方法可以克服传统惯导在极区存在的问题,在极点处不存在计算溢出,并可为载体穿越极点时提供高精度的姿态、位置信息,适用于极区。     

中低纬度评估极区导航时IMU数据转换误差模型

为解决在中低纬度地区定量评估惯性导航系统极区性能的问题,开展了惯导IMU极区模拟转换误差分析与建模.首先,基于地球球体模型横向坐标系下导航参数不变的轨迹模拟转移规则,给出惯导IMU模拟极区输出转换修正量模型;之后,对模拟试验测试参考基准的位置、航姿、速度等误差进行理论分析,并在此基础上,详细推导了测试参考基准误差对IM...     

极区间接横向惯性导航方法

针对极区经线收敛引起的以真北向作为航向参考的导航算法失效问题,在横向惯性导航方法的基础上,提出了一种以游移方位坐标系为导航坐标系的间接横向惯性导航方法,以寻求全球导航时算法的内在统一性,保证平台惯导平稳切换时的流畅性。在横向地球椭球模型下,推导了横向游移坐标编排,建立了误差模型,并进行了仿真分析,并给出了间接横向导航方法下的全球导航流程。结果表明,导航坐标系相同情况下指北编排与间接横向编排极区性能不同的本质原因在于游移角误差的不同;间接横向惯性导航方法能够满足极区导航与穿越极点航行要求,航向角误差小于0.1'/h。     

双轴旋转调制惯导系统的极区导航算法

针对采用固定指北坐标系的双轴惯性导航系统运行在高纬度地区时的导航算法失效问题,在横向惯性导航方法的基础上,以双轴旋转调制惯导系统为对象,提出了一种以游移方位坐标系为导航坐标系的惯性导航方法。首先分析了传统机械编排下的极区导航方法在极区工作的缺陷,进而建立了新的机械编排方法。在横向地球模型下,推导了基于横向游移坐标系的极区机械编排方法,并给出了该方法在全球范围进行导航的流程,从而能够保证双轴惯导系统在高低纬度地区工作的流畅性和平稳性。最后进行了仿真分析,并通过虚拟极区技术,利用实际跑车试验数据完成极区导航算法的半实物试验验证,其24小时导航精度与传统坐标系下的导航精度基本一致。试验和仿真结果表明,横向坐标系可以满足舰船航行穿越极点以及极区导航的需求。     

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%。     

基于横坐标系的捷联惯导系统极区导航方法

现有惯性导航系统机械编排在极区(特别是地理极点附近)不适用。针对该问题,提出了适用于捷联惯性导航系统极区使用的横坐标系导航方法。构建出横坐标系参考框架,推导出横坐标系和常规坐标系之间位置、速度和姿态信息的转换关系,建立了横坐标系捷联惯导系统的机械编排,并在此基础上分析其误差传播特性。仿真分析表明:横坐标系可以解决采用现有机械编排时,极区经线圈快速汇聚和地理极点附近无北向基准所引起的问题,从而满足极区导航要求;同时,仿真结果验证了横坐标系捷联惯导系统中位置和航向误差漂移的特性。     

法向量位置模型下的水下长航时惯性导航阻尼算法

在法向量位置模型的惯性导航力学编排下，提出了一种适用于全球的阻尼算法，在出入极区时可保持阻尼过程的连续性，并且在水下长航时的背景下能够有效提高导航精度。根据法向量位置模型下的惯性导航误差微分方程，分别在垂直通道和水平通道中设计了阻尼网络，水平通道实现了基于法向量位置模型的三阶无静差阻尼算法。基于北极实际航行数据的仿真试验结果表明，提出的阻尼算法同时适用于极区与非极区，抑制了周期性振荡，定位的归一化误差最大值相比于无阻尼系统大约减小了47%。     

基于虚拟圆球法向量位置模型的航海惯导全球容错阻尼算法

水下长航时惯导系统常使用阻尼技术抑制随时间增长的导航误差。针对传统阻尼算法在阻尼切换过程中的不足，提出基于虚拟圆球法向量位置模型的航海惯导全球容错阻尼算法。所提出方法同时具备无阻尼纯惯导解算和阻尼惯导解算，水平阻尼通道采用三阶无静差阻尼算法，外参考速度精度超差时，阻尼惯导的外参考速度替换为纯惯导速度实现等效的无阻尼纯惯导解算，避免了无阻尼切换阻尼后定位误差超调振荡。始终保留一路不受阻尼过程影响的纯惯导解算结果，增强了可靠性。基于北极科考航行数据的仿真试验结果表明，所提出方法抑制了惯导系统周期性振荡误差，定位精度与传统阻尼方法相当，阻尼切换时，比传统阻尼方法定位精度高，均方根减小超过12%。     

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%。     

基于重构伪地球坐标系的捷联惯导初始对准算法

针对捷联惯性导航系统的方位误差对系统误差特别敏感,容易引起闭环卡尔曼滤波初始对准的发散,提出了一种基于重构伪地球坐标系惯导机械编排的初始对准算法。重构伪地球坐标系惯导编排方案在初始位置实现了线性运动误差和方位误差之间解耦,从而消除了导航坐标系旋转角速度误差对方位对准的影响。因此该算法可以减小由系统误差引起的方位对准估计振荡,从而降低了对准系统发散的可能性,进而提高对准系统的稳定性,并改善了捷联惯导初始对准的性能。另外,它不仅适用于常规纬度初始对准,也可以解决极区静态对准问题。最后,常规纬度和极区静态对准仿真证明了该算法具有优良性能。     

捷联惯导系统极区导航算法优化设计及误差特性分析

采用格网坐标系下的力学编排方案能够有效解决常规惯导系统力学编排方案在极区航向误差急剧发散且无法实现定位定向的难题。格网坐标系力学编排方案可以直接获得格网航向,以及地心地固坐标系下的位置坐标,且输出航向精度及定位精度不随纬度的增高而变差。通过深入研究格网坐标系力学编排方案的误差传播规律,详细分析了高纬度下格网航向保持高精度输出的数学机理。针对格网坐标系力学编排方案在极点附近存在计算奇异值的问题,提出了一种通过格网坐标系和地球坐标系间的位置方向余弦矩阵更新解算替代由地心地固位置坐标求解经纬度三角函数值的优化算法,实现了真正意义上的格网坐标系力学编排方案在极区的"无死角"导航能力。仿真分析了载体沿经线穿越极点运动时的算法性能,并与固定指北力学编排方案进行了比较,结果表明,相比于传统导航方案,格网系下输出的航向误差不随纬度升高而发散,导航精度与低纬度区域导航能力相当。     

基于协方差变换的INS/DVL全球组合导航算法

横坐标系下设计的惯性/多普勒测速仪(INS/DVL)组合导航滤波器可以满足无人潜航器(AUV)极区导航的需要,但在AUV进入、离开极区时导航坐标系的切换会引起滤波器结构变化,使系统的误差状态参数估计值产生震荡,影响导航精度。针对此问题,提出了基于协方差变换的INS/DVL全球组合导航算法,设计了横地理坐标系下的INS/DVL组合导航滤波器,并推导建立了地理坐标系与横地理坐标系下滤波器系统误差状态及其协方差矩阵的转换关系。AUV进入、离开极区过程中,导航坐标系切换时同时完成导航参数、滤波器参数的转换。通过船载实验与半实物仿真实验对所提算法的有效性进行了验证,结果表明：在导航坐标系切换过程中,协方差变换算法能够有效改善滤波器估计值不稳定问题,相比于无协方差变换,导航参数震荡误差减小50%以上,提高了组合导航系统稳定性。     

基于小波神经网络的高精度惯导重力扰动补偿方法

重力扰动矢量(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。针对重力扰动误差精确补偿问题,推导并建立了考虑重力扰动的惯导误差方程,并提出了基于小波神经网络的重力扰动补偿方法。通过仿真验证了小波神经网络的重力扰动补偿方法对惯导导航精度的提高效果。24 h仿真结果表明:所提出的重力扰动补偿方法能有效减小惯导导航系统误差,经重力扰动矢量补偿后,速度误差最大能减小约0.2 m/s,降低约30%,位置误差最大能减小约3000 m,降低约25%。     

极区飞行法向量惯性导航算法原理

为克服经典力学编排方案在高纬度地区无法定位定向的问题,提出了以地球坐标系为导航坐标系的法向量惯性导航力学编排方案。该方案采用法向量代替传统的经纬度坐标表示水平位置,适合于全球范围内进行导航。推导了法向量导航误差方程,可用于组合导航算法设计,从而对惯导误差进行校正,满足全天候长航时的导航要求。通过仿真验证了法向量导航算法误差特性,证明了该方案可以满足飞机在极区飞行时的需要,解释了飞跃极点时导航定位误差跳变的原因。     

单轴旋转惯导系统“航向耦合效应”分析与补偿

从单轴旋转惯导系统的误差方程出发,分析载体角运动对系统的影响,从改变IMU旋转角速率的角度补偿系统的"航向耦合效应"。针对绕载体系Z轴正反旋转的单轴旋转系统,载体航向运动与IMU的旋转运动耦合改变了从旋转坐标系到导航坐标系的坐标变换矩阵的形式,从而影响系统误差调制效果,导致系统的"航向耦合效应"。为保证该坐标变换矩阵的周期性,考虑改变IMU的旋转角速率,使之绕导航系而非载体系匀速旋转,隔离载体航向运动与IMU旋转运动的耦合,补偿航向运动对系统的影响。最后,利用海上试验实测的姿态和航向数据进行了单轴旋转惯导系统的误差仿真。结果表明,采取"航向耦合效应"补偿方案时,无姿态运动条件下系统位置误差减小一半;在实际姿态运动条件下,系统误差减小三分之一。     

空间不一致在动态对准中影响分析及补偿方法

大型舰船上惯性导航系统与卫导接收天线安装位置相差较远,在空间分布上不一致,这会影响惯性导航系统动态初始对准效果。通过分析空间相对位置差在载体坐标系和导航坐标系投影值的不同,建立空间位置差从载体坐标系到导航坐标系的投影关系,给出了采用位置匹配算法进行初始对准的空间不一致补偿方法。最后利用实船数据进行了半实物仿真,结果表明,在初始对准阶段有较大转向时,采用该补偿方法,8 h导航纬度误差由4.5 nm降到了0.5 nm。证明空间不一致补偿方法能有效降低载体机动对初始对准结果的影响,提高系统动态初始对准性能。     

多传感器融合技术在低成本车辆组合导航定位系统中的应用

采用多传感器信息融合技术，运用位置/航向的输出校正和元件参数误差的补偿校正的方法，利用一阶马尔可夫模型建立了传感器参数的误差模型，提出了基于集中卡尔曼滤波的GPS/INU车辆组合导航算法。仿真结果表明上述方法是行之有效的。     

局部连续场下重力辅助导航模型构建算法

为了研究高精度的重力辅助导航模型以克服传统模型的局限,必须建立精度高且具有良好解析性质的局部重力异常场解析模型,同时考虑模型误差方程中的重力精准补偿问题。针对二维高斯样条函数逼近局部重力异常场中的局部支撑参数选择问题,通过对所涉及的系数矩阵、解误差、插值模型精度评估等问题进行分析,提出了一种新的最优局部支撑参数计算方法;基于此提出了一种高精度的基于高斯插值的重力辅助导航模型构建算法,该精准模型补偿了重力扰动矢量、标准重力值误差、厄特弗斯修正计算值对导航模型的影响。实验结果表明利用新型重力辅助导航模型构建算法,可使辅助导航系统位置精度提高1倍左右,姿态、速度精度提高1²倍,定位误差保持在1002倍,定位误差保持在100²00 m。