基于四元数卡尔曼滤波的捷联惯导初始对准算法

针对晃动基座捷联惯导初始对准问题,研究了一种具有干扰抑制能力的初始对准算法。根据重力矢量在惯性空间投影构成一包含地球北向信息的旋转锥面的现象,利用坐标系惯性凝固假设将重力量测矢量和参考矢量分别投影到载体惯性坐标系和导航惯性坐标系,将晃动基座条件下的初始对准转化为基于重力量测矢量确定对准起始时刻的姿态问题。借鉴四元数线性伪量测方程的概念,利用重力投影矢量与初始姿态四元数的线性量测关系实现初始姿态四元数的直接滤波估计。初始姿态四元数在对准过程中为常值,以其作为待估计的状态可避免系统模型误差和初始误差的影响。利用转台模拟不同的摇摆对准环境,导航级惯导系统可在10 min内完成初始对准且方位误差小于3’。     

捷联惯导基于星体跟踪器的高精度初始对准算法

捷联惯导与小视场星体跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,导航精度受导航初始误差和器件误差的综合影响。基于此,提出一种捷联惯导与小视场星体跟踪器相组合的初始对准算法,对导航初始姿态误差和惯性器件误差进行估计修正。捷联惯导初始对准过程完成之后,在地面准静基座条件下做速度和位置阻尼条件下的惯导更新解算,利用捷联惯导系统的速度误差量测及小视场星体跟踪器的导航误差角测量量,设计组合粗对准算法和组合精对准算法,用于对捷联惯导系统的初始对准误差和惯性器件误差做进一步有效估计。仿真结果表明:对中等精度导航级捷联惯导系统,组合对准后水平姿态精度可提高到2’’,方位精度可提高到5’’。     

系泊状态舰载捷联惯导初始对准算法设计

系泊状态下舰船因风浪影响而产生摇摆,陀螺输出信息中信噪比很低,地球自转角速度信息难以提取出来,从而给舰载捷联惯导的初始对准带来困难.针对这一问题,研究了摇摆状态下捷联惯导系统的初始对准技术,基于舰载武器特点建立了捷联惯导系统在系泊状态下的误差模型,采用卡尔曼滤波和自适应滤波进行精对准,并根据摇摆频率与地球自转角速度频带的不同设计了巴特沃思低通滤波器对惯性器件的输出信息进行预滤波,从而一定程度上隔离舰船晃动.理论分析和仿真结果表明,该方案能有效地解决舰船系泊状态下捷联惯导系统的初始对准问题,而且具有较高的精度,研究结果对舰载捷联惯导初始对准具有一定的参考价值.     

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。     

低成本捷联惯导系统初始对准方法

为了缩短低成本捷联惯导系统初始对准时间并提高对准精度,给出了一种基于微型电子罗盘的初始对准方法。首先利用电子罗盘辅助加速度计完成粗对准,然后,分别设计了自适应扩展卡尔曼滤波器和平淡卡尔曼滤波器（UKF）用于精对准。实验结果显示,在系统量测噪声方差阵未知时,在滤波器中加入自适应方法能有效的提高对准精度;而采用非线性滤波的UKF算法,即使在粗对准之后方向失准角比较小的情况下,也可获得比线性滤波更优的对准精度和快速性。     

捷联惯导系统初始对准的H∞滤波及卡尔曼滤波比较研究

研究了基于卡尔曼滤波和基于H∞滤波的两种初始对准方法。通过建模仿真及比较分析，得出了在外界噪声影响较大或有建模误差时，使用卡尔曼滤波将出现滤波延缓甚至发散现象，而使用H∞滤波，能有效克服传统Kalman滤波器性能恶化的问题，既可获得较高的对准精度，又提高了系统的实时性，从而从总体上提高初始对准效果。     

采用粒子滤波的捷联惯导非线性快速初始对准算法

针对常规捷联惯导静基座初始对准模型维数高,难以保证粒子滤波实时性的问题,提出了一种适用于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准模型。该模型利用二位置方法消除惯性器件的常值误差,因此无需对惯性器件误差进行状态扩展,从而在保证对准精度的前提下降低了粒子滤波的运算量。在二位置非线性快速初始对准模型中航向角是直接可观测的,因此可以提高航向角的对准精度和速度。仿真结果表明,采用基于粒子滤波的二位置非线性快速初始对准方法,水平姿态精度在6″以内,航向角精度为10′以内,还较好地满足了粒子滤波应用于捷联惯性导航系统初始对准中的实时性要求,有效提高了初始对准的速度。     

基于伪地球坐标系的捷联惯导全球动基座初始对准算法

由捷联惯导系统建模原因造成的导航误差随纬度升高会被急剧放大,是实现惯导系统全球初始对准所面临的主要问题之一,且现有多种编排方案共存的全球初始对准算法也不利于初始对准算法在全球范围内统一。另一方面,极地地区越来越小的地球自转水平分量,使得极点及其附近的静态自对准是无法实现的,且动基座初始对准也有利于提高导航系统的快速反应能力。基于此,提出了采用伪地球坐标系惯导编排来实现惯导系统的全球动基座初始对准,消除由惯导建模造成对全球初始对准性能的影响,并期望探索一种统一导航编排的全球初始对准算法。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

捷联惯导系统初始对准的参数辨识法

本文研究了晃动基座上捷联惯导系统初始对准的参数辨识法。文中论述了捷联系统姿态误差角的变化规律、姿态误差角与速度误差量间的关系、双位置对准及陀螺测漂的原理及实现,介绍了两种实用的参数辨识的递推算法:递推最小二乘法和改良卡尔曼滤波法,给出了若干组不同条件下的模拟结果,并提出了作者的一些看法。     

基于加速度计余度配置的MEMS捷联惯导初始对准方法

初始对准性能是影响智能弹药姿态控制与弹道修正效果的重要因素之一。针对弹载MEMS捷联惯性导航系统,研究了一种基于常规捷联惯导系统结构的3轴加速度计斜装余度配置系统结构改进方案,以及该结构的系统在大俯仰角条件下的初始对准方法,并在高精度转台上进行了对准方法的实际性能验证。实验结果表明了MEMS惯导系统的改进结构与初始对准方法,在载体大俯仰角条件下提高初始对准精度与加速度计偏置稳定性的有效性。本文的研究可为弹载环境下的MEMS惯性导航系统提供理论研究与工程应用参考。     

基于边缘采样UKF滤波的捷联惯导初始对准方法

设计了基于四元数的捷联惯导非线性初始对准模型,同时指出该模型仅仅是姿态误差四元数和速度误差的非线性函数,而对于惯性器件误差而言则是线性的。针对该模型的部分线性特性,设计了基于边缘采样的UKF滤波算法,该算法仅对状态量中的非线性子集进行采样,因此对于部分线性模型而言,该算法在不损失滤波精度的前提下能够有效降低算法计算量。仿真及车载实测数据实验表明所研究的初始对准模型和相应的滤波算法是有效的,而且较传统方法具有明显的计算量方面的优势;在达到相同对准精度的前提下,所设计算法的计算量较传统算法降低了52%。     

基于小波检测的捷联惯导系统初始对准抗干扰新方法

针对车载捷联导航系统初始对准中的人为或阵风干扰等问题，提出了一种基于多尺度小波系数内积的干扰信号检测算法。该算法利用惯性敏感器的输出残差来建立用于检测突变信号的跟踪信号，并利用信号边沿或快变部分小波系数表现出的特性，构造了一种小波检测信号，通过小波检测有效地抑制了外界的干扰。粗对准实验证明该算法的有效性。     

捷联式惯导系统快速初始对准方法研究

针对初始对准过程中对准精度与快速性相矛盾的问题，提出并设计了把扩张状态观测器（ESO）与卡尔曼滤波滤波估计器相结合，用于捷联惯导系统初始对准的方法。数值仿真结果表明，该方法使对准过程所需要的时间大大缩短，并保证了较高的对准精度及较强的鲁棒性。     

基于强跟踪滤波的旋转捷联惯导初始对准方法

旋转捷联惯性导航系统在传统系统结构上进行了改进,陀螺和加速度计安装于转动基座上,通过捷联算法中的积分运算消除陀螺仪和加速度计中的非随机性误差。针对该导航系统的结构特点,研究了一种基于强跟踪滤波算法的快速估计平台误差角的初始对准方法,推导了系统的误差数学模型,论述了强跟踪滤波基本方法及初始对准状态方程与观测方程,进行了数字仿真验证。基于某型光纤陀螺和MEMS加速度计,通过在高精度转台上的旋转实验进一步进行了基于实际系统的算法性能验证。结果表明,对于中低精度的光纤陀螺旋转捷联惯性导航系统,所提出的对准方法具有较高的对准性能,具有工程应用价值。     

基于NPF-CKF的捷联惯导系统动基座初始对准技术

当海况不佳时,水下航行器大幅晃动,捷联惯导系统无法快速完成自主初始对准,因此提出了利用多普勒计程仪提供的速度信息进行运动中辅助对准。针对在非线性对准中扩展卡尔曼滤波存在精度低,且需要计算雅可比矩阵等不足,提出了一种基于非线性预测滤波的求容积卡尔曼滤波算法。该滤波算法将惯性器件测量误差作为模型误差使用非线性预测滤波器进行实时预测,然后再利用求容积卡尔曼滤波对模型误差补偿后的系统进行状态估计。仿真结果表明,与扩展卡尔曼滤波和求容积卡尔曼滤波算法相比,该滤波算法能够不仅提高失准角特别是方位失准角的估计精度,其精度约为45″,而且加快了收敛速度。同时由于该滤波算法降低了系统状态的维数,因此也大大减少了计算量。     

捷联惯导系统改进参数辨识初始对准方法

在线晃动干扰环境下,现有捷联惯导系统(SINS)参数辨识初始对准算法的观测方程建模存在不足,对准收敛速度和精度都会受到影响。提出了改进参数辨识初始对准算法,将计算干扰速度的平均值列入辨识模型参数,提高了初始对准的收敛速度和对准精度,此外,还推导了比力双重积分的参数辨识模型,有利于进一步抑制晃动干扰的影响。仿真结果表明,改进算法消除了现有对准算法中可能存在的固有偏差,获得更加平滑的失准角估计效果。     

一种新的捷联惯导系统初始对准方法

提出了—种基于多天线GPS载波相位测量的捷联惯导系统静基座初始对准方法。给出了观测方程的详细推导过程，该观测方程中三个失准角均直接可观。最后给出了卡尔曼滤波仿真结果。结果表明，该方法极大地改善了捷联惯导系统静基座初始对准中方位失准角的估计收敛速度和精度。     

自适应卡尔曼滤波在惯导初始对准中的应用研究

本文研究了自适应卡尔曼滤波技术在惯导系统中的应用。在噪声统计特性未知或近似已 知的情况下,采用常规卡尔曼滤波会导致较大的状态估计误差,甚至使滤波发散;而自适应卡 尔曼滤波在估计状态的同时,利用观测数据带来的信息,可在线估计噪声的统计特性,从而不 断地改进滤波器的设计,由此得到的滤波估计比常规卡尔曼估计精度更高。本文采用Ｓａｇｅ 和 Ｈｕｓａ 自适应滤波算法,结合惯导初始对准,给出了计算机仿真。仿真结果进一步证实在噪声统 计特性不确切知道的情况下,自适应卡尔曼滤波的估计精度高于常规卡尔曼滤波的估计精度。     

一种低成本捷联惯导系统的初始对准方法

提出适用于低成本捷联惯导系统的初始对准方法，即采用非线性对准模型和采样卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter）进行状态估计。推导了方位大失准角下的非线性对准模型，并与采用线性模型的对准方法进行了仿真比较。给出了系统加性噪声情况下的UKF递推算法，并应用于方位大失准角情况下的非线性对准。仿真结果表明采样卡尔曼滤波优于扩展卡尔曼滤波（EKF），且UKF无需计算Jacobian矩阵，与EKF相比实现更为简单。     

光纤陀螺捷联式惯导系统初始对准方法研究

对光纤陀螺（FOG）的零偏重复性、零偏随时间变化规律的重复性进行了实骀研究。根据FOG零偏重复性好和零偏随时间变化规律的重复性好等特点，采用最小二乘估计和Kaiman滤波估计方法，提出、设计实现了一个有效实用的FOG捷联式惯导系统（SINS）初始对准方法，并与转位式初始对准方法的对准结果进行了比较，得到了精度相当的结果。