捷联惯性系统初始对准中IMU安装误差及陀螺漂移的估计与补偿

为尽可能消除IMU安装误差和陀螺漂移对系统精度的影响，运用主从惯导传递对准技术，采用扩展状态滤波器和速度／姿态角组合匹配的方法，估计出IMU安装误差和陀螺漂移误差，并对系统进行补偿。仿真结果表明，补偿了安装误差和陀螺漂移后，捷联惯性系统的导航参数精度可提高1个数量级以上。     

恒速偏频激光陀螺系统静基座初始对准中等效东向陀螺漂移估计

以单轴恒速偏频激光陀螺系统为研究对象,在分析IMU传感器误差的基础上,建立了合理有效的静基座初始对准滤波器模型。针对系统连续旋转运行的特性,提出了简洁适用的滤波器估计误差检验方法,利用自主设计的原理样机验证了恒速偏频技术的实际可行性,对滤波算法进行了实验测试。实验结果表明,初始对准滤波算法能够稳定有效地估计IMU传感器误差,且等效东陀螺漂移估计精度优于0.0004(°)/h,该系统具有很高的工程应用潜力。     

机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差参数估计与补偿

针对振动环境下机抖激光陀螺敏感轴产生动态偏移造成惯导系统精度下降的问题,从理论上推导了机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差模型,并结合工程实际建立了简化的误差模型;在此简化误差模型基础上,推导了陀螺敏感轴动态偏移造成的等效陀螺漂移与比力、角速度的耦合关系;将机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差归结为9个待辨识参数,针对该模型中的待辨识参数设计了标定方法,并给出了标定实验设计原则;以姿态误差为观测量进行振动实验对待辨识参数进行估计,振动实验结果表明,在10 min线振动时间内,机抖激光陀螺敏感轴动态偏移误差补偿后,捷联惯导系统纯惯导速度误差减小30%以上。     

基于未补偿偏置滤波器的惯导动态初始对准

动态初始对准是惯性导航系统(惯导)工程应用的重要功能之一。针对动态环境下随机干扰和弱可观惯性仪表误差导致对准滤波器性能下降的问题,采用未补偿偏置滤波器实现惯导系统的初始对准。给出了带高度阻尼的惯导水平通道误差模型,根据最小二乘估计原理定量分析了陀螺漂移误差对降维滤波器精度的影响,进而推导出带偏置结构的对准误差模型,设计出基于水平位置误差观测的7维未补偿偏置Kalman滤波器。动态试验结果表明,未补偿偏置滤波器能有效提高惯导动态初始对准性能,仅需40 min对准精度即达标,比直接降维滤波器快一倍以上,具有较强的工程应用价值。     

初始装订姿态误差对Kalman滤波器陀螺漂移估计的影响分析

探讨了动基座对准中的一个新的问题，初始装订姿态误差对Kalman滤波器估计陀螺漂移的影响，对该问题进行了试验和仿真。结果表明，利用速度匹配进行初始对准，初始装订姿态误差对两个水平陀螺漂移的估计值产生的影响，主要来自于系统初始装订姿态的精度和Kalman滤波器系统模型的精度，如果要保证滤波器足够的估计精度，应该首先从系统模型上解决。     

一种快速有效的捷联系统初始对准算法

在捷联惯性系统中，初始对准是影响系统输出精度的最重要环节，陀螺漂移是引起对准误差的主要原因。本文在对捷联系统误差进行分析的基础上，结合卡尔曼滤波器的滤波特性，提出一种把陀螺随机常值漂移标定与初始对准进行多级组合的卡尔曼滤波方法。     

基于互补滤波的动中通天线姿态估计

为了满足低动态下天线稳定的要求,构建了一个基于微机械陀螺、加速度计和磁强计组合的动中通低成本姿态测量系统.该系统利用加速度计重力场分量估计的倾角和磁强计地磁场分量估计的航向角作为辅助信息,校正陀螺漂移误差.根据陀螺与辅助传感器的互补特性,设计一个多轴互补滤波器,利用陀螺的高频分量和辅助信息的低频分量估计姿态角.根据载体机动状态调整控制器参数,使滤波器能自适应选择交接频率,减小机动加速度对姿态估计的影响.实验结果表明,互补滤波能有效地估计出姿态,系统的动态估计精度在±2°内.     

等效转动矢量在捷联惯导系统二位置对准中的应用

捷联惯导系统的初始对准精度受加速度计零偏和陀螺漂移的限制。为减小对准误差,引入等效转动矢量对二位置对准方法进行了研究。通过对捷联惯导系统的静基座误差方程作Lyapunov变换,得到转动过程中加速度计零偏和陀螺漂移误差的传播方程。当系统由第一位置转到第二位置时,利用等效转动矢量的方法得到方程的状态转移矩阵,并由第一位置对准的约束条件推导出加速度计零偏和陀螺漂移的解析解。当二位置对准采用绕方位轴转动时,分析解的稳定性得出最优转动角度是180°。     

一种新的捷联惯导快速双位置对准方法

针对传统双位置对准过程中受载体运动和惯导标定误差的影响导致卡尔曼滤波器收敛速度较慢的问题,提出一种新的双位置对准方法.设计了快速双位置对准方案,整个对准过程分为两个阶段,将两个阶段的数据分别采用两个卡尔曼滤波器进行处理,从而保证对准卡尔曼滤波器可以快速收敛.通过两个阶段的滤波结果之间的物理关系,可以准确地计算出各项误差参数,包括姿态误差角、机体系中水平方向的陀螺常值漂移和加速度计零偏.仿真结果表明,对准过程可在10 min之内完成,采用常值漂移为0.02(°)/h的陀螺,水平姿态角估计误差在0.1′之内,方位姿态角估计误差在1′之内.该方法切实可行,适用于需要进行双位置对准且对准时间限制比较严格的情况.     

机动对速度匹配法传递对准效果的影响

传递对准过程中,机动运动有利于改善对准效果,不同的机动运动方式对特定匹配模式下的对准效果改善程度不同。通过建立速度匹配法传递对准卡尔曼滤波器模型,对几种典型机动方式下的模型分别进行深入仿真研究,详细比较不同机动方式对捷联惯导系统对准效果的影响。仿真结果表明,采用速度匹配传递对准方式,载体单独做摇摆加线运动姿态误差角估计精度能达到1',陀螺常值漂移的估计精度能达到90%,加速度计常值零偏无法估计。载体做"S"形机动运动姿态误差角估计精度优于0.5',陀螺常值漂移的估计精度能达到95%以上,加速度计常值零偏估计精度能达到99%。     

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。     

舰船惯性导航系统海上无阻尼状态的校准

为满足装备高机动舰船的惯性导航系统海上重调的需求,设计了一种无阻尼状态下的校准方案,以保证惯性导航系统的续航导航精度。设计中采用卡尔曼滤波器估计系统误差和陀螺漂移,并利用残差检验方法进行故障检测与隔离。仿真分析和系统试验结果表明：无论载体在静态还是动态机动情况下,采用该方案进行校正后的系统精度都明显提高。该方案具有：滤波估计过程在无阻尼状态下进行,不受舰船运动状态的限制;分别估计陀螺常值漂移和随机漂移,隔离随机漂移对常值漂移量测的影响,精确补偿系统误差和陀螺常值漂移;以及在外参考信息源有误差干扰情况下仍能获得理想的校正效果等特点,具有重要的应用价值。     

船用捷联式惯导系统初始对准及对陀螺随机常值漂移估计方法的研究

本文分析了船用捷联式惯导系统工作环境的特点、初始对准误差特性;并着重讨论了陀螺漂移对初始对准精度的影响,提出了一种适用于船用捷联式惯导系统的双位置对准方法。该方法能克服当以加速度计输出作为系统观测量时,等效东向陀螺漂移不可观测的缺点,在初始对准的过程中用卡尔曼滤波方法估计山陀螺仪的随机常值漂移,从而提高系统的初始对准精度。本文从理论上分析了该方法的可行性,并通过计算机仿真给出了该方法的性能指标。     

基准信息时间延迟对速度匹配传递对准性能的影响分析

传递对准过程中,由于主惯导的解算和传输延迟,子惯导解算信息与进行匹配的基准信息不能完全同步,有些情况下时间延迟较大.采用捷联惯导速度匹配传递对准,仿真分析了舰船几种典型运动状态下基准信息时间延迟对姿态误差角、陀螺漂移、加速度计零偏估计效果的影响.仿真结果表明,对准过程中舰船匀速和匀加速运动,基准信息延迟几乎不会影响对准性能;对准过程中舰船变加速直线运动,加速度变化时基准信息延迟影响卡尔曼滤波器估计精度,速度稳定后,影响会慢慢减小;对准过程中舰船进行转弯和大规模的机动运动,基准信息延迟会严重影响速度匹配传递对准性能,方位误差角估计误差达到10′左右,陀螺漂移和加速度计零偏的估计时间和精度显著下降.     

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.     

捷联惯导系统传递对准误差模型降阶分析

针对捷联惯导系统(SINS)传递对准实际工程应用时的降阶建模问题,给出了速度匹配卡尔曼滤波器误差模型的降阶建模过程,分析模型降阶对传递对准误差估计精度的影响,通过将各状态量对滤波估计的影响等效成惯导系统的初始失准角,以量化的方式比较各状态量影响滤波精度的大小,从而为模型降阶提供依据.最后进行了数学仿真及试验验证,试验结果表明模型降阶方法是可行和有效的,降阶模型对失准角及陀螺漂移的估计精度能够达到模型降阶前的精度,达到了预期的效果,而且模型降阶后滤波器的计算量比降阶前减少了85%左右,大大提高了滤波器计算的实时性,满足实际工程应用的要求.     

状态变换卡尔曼滤波的进一步解释及应用

针对速度误差定义的坐标系一致性,对状态变换卡尔曼滤波(ST-EKF)的合理性作出了进一步的解释,并将其应用于捷联惯导的初始对准及组合导航。为提高陀螺仪、加速度计的零偏误差估计效果,初始对准和组合导航过程采用统一的15状态滤波器。"单"位置精对准实验表明,由于在基座振动的环境下误差状态不完全可观,传统卡尔曼滤波会有随时间增长航向角估计误差反而逐渐发散的情况出现,而状态变换卡尔曼滤波的航向角估计结果相对稳定。激光陀螺IMU和光纤陀螺IMU的3 min双位置对准实验均表明,在同样的卡尔曼滤波预测和更新频率下,状态变换卡尔曼滤波的航向角估计精度要比传统卡尔曼滤波提高45%以上。激光陀螺IMU/卫星和MEMS-IMU/卫星组合导航跑车实验均表明,多处断开卫星信号的情况下,状态变换卡尔曼滤波组合导航系统具有更高的定位精度。     

速率偏频激光陀螺惯导系统航向敏感误差分析与补偿

为了有针对性的消除激光陀螺速率偏频惯导系统的可补偿寻北误差,进一步提高航向精度,从速率偏频斜装惯性仪表的数学模型出发,对陀螺和加速度计的各项误差进行了寻北误差分析,基于捷联惯导对准误差公式给出了惯性仪表各误差源的影响量级。明确了引起倾斜状态航向敏感误差的主要因素,提出了以调整激光陀螺旋转轴方向陀螺零偏抵消激光陀螺标度因数不对称性误差或者速率偏频状态陀螺零位偏移的航向敏感误差补偿措施。经转台试验验证,该措施简单可靠,有效消除了倾斜状态航向敏感误差,速率偏频系统的全方位寻北精度能够从86'(3σ)提高到优于40'(3σ)。     

激光陀螺组合体自主测量船体角变形的最优估计法

根据激光陀螺组合体测量的角增量计算得到的惯性姿态匹配测量方程,结合动态变形模型和静态变形模型,构建了船体角变形测量的最优滤波器,实现了角变形的最优估计。该方法将角变形和激光陀螺的随机漂移误差近似为平稳随机过程并分别构建滤波器,静态变形建模为白噪声驱动的一阶随机游走过程,动态变形建模为二阶马尔可夫平稳随机过程。通过角速度匹配测量方程进行了角变形的观测性分析得知:动态变形的估计精度与激光陀螺的测量精度相当,静态变形的估计精度依赖于船体摇摆频率和幅度,因此最优估计法的误差主要为静态角变形模型的估计误差。仿真结果表明,通过设置合适的静态角变形模型参数,该最优估计法测量角变形的误差小于10"。     

基于逆向导航解算和数据融合的SINS传递对准方法

提出两种观点:1)可以使用一段惯性传感器数据完成捷联惯性导航系统(SINS)的初始对准;2)通过在数据融合中加入逆向—正向SINS解算结果和外部参考数据,可以缩短传感器误差的估计时间。基于以上两观点,旨在不改变卡尔曼滤波器的情况下,短时间内估计陀螺漂移的一种快速传递对准的方法。在一个参考数据更新周期内,储存了惯性传感器数据和参考数据,并且执行了逆向—正向捷联解算。与此同时,当相应的捷联解算结束后,执行数据融合算法。在上述的更新周期内,由于加入逆向—正向捷联解算,陀螺漂移估计操作增加了两次并且缩短了其估计时间。在舰船晃动的情况下,实验表明:与经典的方法相比,当两种方法的数据融合执行次数相等时,提出的方法缩短了对准时间,对准时间从300 s缩短到100 s;当对准时间相等时,方案1的纵摇、横摇和航向对准误差的均值分别为?0.6638、?0.5896、0.3941,其方差分别为1.0736、0.4629、2.1697,而方案2对应的均值和方差分别为?0.4632、?0.5026、0.3375和0.8828、0.3876、1.7289。由此可知,方案2的对准精度高于方案1。