一种基于PWCS的惯导系统可观测度分析方法

为研究惯导系统动基座滤波中各状态的收敛情况与载机机动的关系,提出一种基于分段线性定常系统( pwcs)的可观测度分析方法.该方法利用PWCS可观测性分析方法中的提取可观测矩阵,进一步进行可观测度的计算,用可观测阶数和相对可观测度两个指标对可观测性进行量化.分析结果能够明确表示出不同状态在观测中的耦合,准确预测可观测度不...     

基于可观测性分析的光纤陀螺SINS/测速仪组合系统技术

为了简化求可观测度的过程,便于导航时利用状态变量可观测性分析结果进行姿态解算。在仔细研究了分段定常系统(PWCS)的可观测性分析方法,以及基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法的基础上,提出了一种改进的状态可观测性分析方法,该方法在求可观测度时,不需要量测值,利用可观测性矩阵奇异值分解后的V阵即可进行可观测性分析;利用该理论得到的结果,在SINS/测速仪组合导航解算过程中只对可观测度好的俯仰角误差和横滚角误差进行反馈校正,不反馈可观测度较差的航向角误差,仿真结果证明,这种有选择的反馈校正方法可以保证姿态角在导航开始几秒钟内就快速收敛。     

基于可观测性分析的方位旋转式惯导初始对准仿真研究

方位旋转式平台惯导系统(ARGINS)可以通过平台绕方位轴旋转抑制陀螺漂移和加速度计零偏,提高系统精度.平台旋转同样会影响系统静基座初始对准的精度.文中给出了ARGINS系统初始对准的误差方程和速度观测方程,应用分段定常系统可观测性分析理论和奇异值可观测度分析方法,定量地给出了ARGlNS系统状态的可观测度,并进行了ARGINS静基座初始对准过程的数字仿真和结果分析.结果表明:与固定指北式惯导系统相比,ARGIYS系统通过平台旋转提高了加速度计零偏和水平陀螺漂移的可观测度,可以应用卡尔曼滤波对系统的平台失准角和惯性元件误差进行估计并提高对准精度.     

惯导平台自标定中安装误差可观性分析

针对惯导平台连续翻滚自标定中安装误差标定精度不高这一现状,提出了一种解决方案。通过对惯性器件的输出误差模型和安装误差的分析,建立了系统的姿态动力学方程和观测方程,利用输出灵敏度理论分析了系统的可观性,指出加速度计安装误差可观性较差是影响标定精度的主要原因。利用Kalman滤波中的估值方差矩阵计算了安装误差之间的相关系数,计算结果表明可观性差是由安装误差之间的线性相关性造成的,并确定了具体的不可观参数。以加速度计输入轴为基准建立平台坐标系可以减少安装误差项,使所有的安装误差的变得可观。最后的仿真结果表明在新的方案下,安装误差的估值偏差小于5",标定精度得到了显著提高。     

基于伪距的北斗双星/SINS组合导航系统可观测度分析

在连续的分段式定常系统模型基础上,证明了通过简化分段式定常系统的可观测矩阵来分析其离散化模型可观测性能的可行性;介绍了一种基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法.通过对一个分段间隔的条带化可观测矩阵进行奇异值分解来判断每一个奇异值对应的系统状态及每一个系统状态对应的可观测度;根据北斗双星定位系统的双伪距、高精度原子钟及气压高度信息,建立了北斗双星/SINS伪距组合滤波模型,并将可观测度分析方法应用于该模型中.仿真结果表明:在伪距组合模式下对简化的分段式定常系统可观测矩阵进行奇异值分解的方法能有效反映北斗双星/SINS组合导航系统的可观测程度.     

MSINS/GPS全组合系统可观测性分析

卡尔曼滤波是组合导航系统处理数据最常用的算法。首先给出PWCS可观测性定理,然后在G矩阵选星算法的基础上,设计了基于伪距/伪距率的MSINS/GPS紧耦合系统(TCS)的卡尔曼滤波器,在上述量测方程中加入基于GPS载波相位观测量的姿态测量方程,给出了有姿态测量信息的全组合系统(CIS)。最后证明了CIS满足PWCS定理条件,即可以用离散系统的选择可观测性矩阵(SOM)代替相应的连续系统的总可观测性矩阵(TOM)对系统进行可观测性和可观测度的分析。利用奇异值分解(SVD)理论给出了不同可见卫星数时CIS的可观测性分析结果。与不加入姿态观测信息的MSINS/GPS的TCS比较,计算结果表明CIS比TCS具有更好的可观测性和可观测度。     

GPS/SINS系统空中对准姿态角误差可观测性研究

提出一种新的判断系统可观测性和可观测度的方法,详细分析了机体各种运动对系统姿态角误差可观测性和可观测度的影响,并把该方法应用于组合导航系统的可观测性和可观测度的研究中。该方法利用了误差状态的最小二乘估计均方误差阵的特征值和特征向量,能判断系统的可观测度,避免进行卡尔曼滤波计算求协方差阵。仿真结果表明该方法简单、快速、有效。     

高精度惯性平台十六位置自标定方案

针对惯性平台系统多位置自标定的误差系数个数还较少的现状,提出了一种平台十六位置自标定方案。通过对惯性平台系统惯性器件输出误差模型和惯性器件安装误差的详细分析,推导出了包含51项误差参数的平台系统误差模型。结合方程组有最小二乘解的理论,提出了适合平台多位置自标定系统的可观测性分析方法,并以此为指导,提出了平台多位置自标定系统的优化指标。根据此指标,结合平台信息矩阵的特点,得到了一种最优位置组合的数值搜索算法,并得到十六位置自标定方案。仿真结果显示,此十六位置自标定方案可以较高精度的估计出平台系统的全部51项误差参数。研究结果表明,用尽可能少的位置来高精度的辨识出尽可能多的平台误差参数是可实现的。     

可观测度的探讨及其在捷联惯导系统可观测性分析中的应用

可观测度是为了分析线性系统中组合状态的可观测程度而提出来的,在卡尔曼滤波的滤波效果分析中得到了应用。文中先对已有的两种可观测度分析方法进行了简述,并且分析了两种方法的等价性;然后从理论上分析了此描述方法的不全面性。通过典型例子说明了理论分析的结果,给出了一种更全面的描述系统可观测组合状态可观测度的方法,并且用新的描述方式分析了捷联惯导系统的各状态可观测度。结果表明,该数值刻画方式能够定量的给出系统状态可观测的程度,是解析分析方法的很好的补充。     

基于SVD方法的INS传递对准的可观测性能分析

在惯导系统一般的误差动态方程和速度观测方程的基础上,建立了姿态传递对准所必需的弹、舰相对姿态误差方程和观测方程.介绍了基于动态系统可观测性矩阵奇异值分解的状态变量可观测度的分析方法.用奇异值分解的方法,对同时采用速度和姿态传递的INS对准模型,分析了系统变量的可观测性和可观测度,为对准方程的可观测性结构分解和误差估计性能的改善提供了必要的基础.     

基于SVD方法的lNS传递对准的可观测性能分析

在惯导系统一般的误差动态方程和速度观测方程的基础上，建立了姿态传递对准所必需的弹、舰相对姿态误差方程和观测方程。介绍了基于动态系统可观测性矩阵奇异值分解的状态变量可观测度的分析方法。用奇异值分解的方法，对同时采用速度和姿态传递的INS对准模型，分析了系统变量的可观测性和可观测度，为对准方程的可观测性结构分解和误差估计性能的改善提供了必要的基础。     

基于状态参数可观测度分析的舰机传递对准自适应滤波方法

针对舰机惯导传递对准过程中舰船机动受限、系统可观测性差等特点,提出了基于状态参数可观测度分析的自适应滤波方法。通过系统状态参数可观测性分析,量化各状态分量可观测程度,进而根据可观测度大小分组构造自适应调节因子,并采用滤波增益衰减法对观测度低的分量通道进行有效处理,以此来提高传递对准滤波算法的适应性和滤波估计精度。舰船模拟轨迹下仿真结果表明,基于状态参数可观测度分析的自适应滤波方法和常规方法相比,具有较高的精度和较快的收敛速度,对准精度由3?提高到2?,滤波估计收敛时间由15 min缩短至8 min。     

车载捷联惯导系统静止条件下的初始对准方法研究

根据捷联惯导系统(SINS)的误差模型，从提高初始对准中卡尔曼滤波估计的可观测性和可观测度的角度出发，提出了同时利用加速度表的输出和速度误差量这两种信息作为卡尔曼滤波的测量量，对陆地车辆捷联惯导系统在静止条件下进行初始对准。可观测性定性分析、可观测度定量计算和仿真结果都表明，充分利用外部可观测信息，可以提高系统的可观测性和可观测度，加快初始对准的速度，减小估计误差。该方法已经在实际的SINS中得到应用。     

一种可观测度分析方法及在传递对准中的应用

针对卡尔曼滤波器中状态可观测度的定量分析问题,提出了一种新的可观测度分析方法。利用无系统噪声输入的动态系统初始状态的加权最小二乘估计,推导了动态系统初始状态估计误差的传递方程,将状态变量的可观测度指标定义为估计误差传递矩阵的对角线元素,从系统初始状态估计误差衰减角度定义了可观测度。推导了考虑子惯导安装矩阵的姿态观测方程,将机翼变形视为观测噪声,构建了速度加姿态匹配的传递对准模型。将可观测度分析方法应用到该传递对准模型中,结果表明:水平加速计零偏可观测度低,估计误差大,而其他状态可观测度高,估计误差小。     

局部可观测理论在惯导系统快速传递对准中的应用

鉴于传统的全局可观测理论很难定量分析时变系统的可观测性,从机载导弹传递对准姿态角误差的可观测性出发,首次将局部可观测性理论应用于"速度 姿态"匹配的快速传递对准中。将条件数的概念引入局部可观测矩阵,定量地计算出在三种不同机动方式下,局部可观测矩阵的条件数,用以表征机动对准过程中系统的局部可观测度。仿真结果证明,提高姿态角误差可观测度的最佳载体机动方式为机翼摇摆运动。该研究结果为实现机载武器动基座快速精确对准技术在工程中的应用提供了依据。     

基于SVD理论的可观测度分析方法的几个反例

常用的可观测度（DOO）分析方法有估计误差协方差矩阵的特征值和特征向量法和可观测性矩阵的奇异值分解（SVD）方法,前者需要在滤波结束之后进行,而后者不需要进行滤波运算就可直接用于分析整个系统的可观测度。但在利用SVD方法分析系统各个状态的可观测度时,为比较不同状态变量可观度的大小,需要对系统状态进行无量纲化处理,文章通过反例说明在利用变量代换方法进行无量纲化处理时,变换前后状态可观测度分析的结果不一致,原因在于SVD方法对于状态空间坐标系的拉伸变换不具有不变性。     

双轴旋转调制捷联惯导系统旋转方案优化设计

针对双轴旋转捷联惯导系统自标定旋转路径和旋转调制方案不一致的问题,48次序一体式方案将标定路径和旋转调制方案融合,减小了实际操作的复杂性,提高了导航精度。为减少48次序方案的冗余次序,进一步增强旋转调制效果,提出了一种改进的40次序一体式旋转方案。所提方案不仅能同时实现自标定和旋转调制功能,而且由惯性器件安装误差引起的数学平台姿态角误差小于传统16次序方案,对零偏误差的调制周期短于48次序一体式方案。基于奇异值的可观测度分析及仿真和实验结果表明,40次序方案的标定结果更接近真实值,经过旋转调制后的导航误差更小。在3天的导航时间内,所提方案的速度精度和位置精度相比于48次序一体式方案分别提高了20%和12%。     

基于SVD的SINS多位置对准可观测性分析

针对捷联式惯导系统多位置对准可观测性的问题,以捷联式惯导十状态误差方程为研究对象,利用卡尔曼滤波分别得到固定位置对准与二位置对准以及二位置对准与三位置对准时的方位失准角估计误差收敛情况。在分段线性定常系统理论的基础上,利用奇异值分解的方法,分别对固定位置对准以及二位置对准时的系统各状态变量的可观测性进行分析。仿真结果表明,三位置对准和二位置对准时的方位失准角估计误差达到的稳态误差是一致的,并且多位置对准能够改善捷联惯导系统各状态变量的可观测度。该研究结果不仅为确定并提高捷联惯导系统各状态的可观测度提供了途径,而且为捷联式惯导系统的可观测性达到最佳以及捷联惯导系统对准精度的快速提高提供了理论基础。     

基于降维滤波器的SINS快速初始对准算法（英文）

引入惯性元件信息观测的初始对准方法能够快速提高SINS的对准速度,但同时存在滤波计算量大、系统噪声与观测噪声相关以及观测值中的高频噪声影响滤波精度的问题。针对这些问题提出了一种捷联惯导快速初始对准降维滤波器设计方法,通过剔除不可观测量和合理选取状态量以降低状态方程维数,并推导了观测方程,在采用低通滤波器对惯性器件原始信息预处理基础上应用噪声相关下的Kalman滤波进行状态估计。理论分析和试验结果表明,新方法提高了对准速度,减少了计算量,水平姿态角收敛速度提高了90%,计算量减少了83.33%,并可有效抑制高频噪声对状态估计的影响。     

基于状态变换多状态约束卡尔曼滤波的视觉/惯性组合导航（英文）

为了进一步提高视觉/惯性导航精度,提出了一种基于状态变换多状态约束卡尔曼滤波(ST-MSCKF)的视觉/惯性组合导航算法。与标准的多状态约束卡尔曼滤波(MSCKF)相比,ST-MSCKF对速度误差进行了更严格的定义,并以新的非线性速度误差为基础重新推导了视觉/惯性组合导航的系统误差模型和量测模型。由于ST-MSCKF比MSCKF具有更好的协方差一致性,从而具有更高的位置和姿态估计精度。与观测性约束MSCKF(OC-MSCKF)解决不一致问题的方法不同,ST-MSCKF不需要实时修正状态转移矩阵和量测矩阵去保持视觉/惯性组合导航系统的可观测性,ST-MSCKF的运算流程与标准的MSCKF完全一致,算法实现容易。车载导航实验表明,ST-MSCKF具有比MSCKF更高的位置和姿态精度,与OC-MSCKF精度相当,具有良好的工程应用价值。