系统级双轴旋转调制捷联惯导误差分析及标校

旋转调制技术可以调制惯性器件常值误差,有效提高惯导系统的长航时导航精度。出于一种旋转调制式捷联惯导系统的研制需求,从旋转调制式捷联惯导的基本原理出发,提出了一种系统级双轴旋转调制式捷联惯导工程实现方案,并对其系统误差特性进行了深入的分析及仿真,找出了影响系统长航时导航精度的误差源。基于此。为了能仅利用系统自身旋转机构就可对主要误差源进行估计补偿,提出了一种系统级自标校方案。通过计算机仿真表明:此方案可以对影响系统长航时精度的主要误差项进行精确估计,是一种有效可行的系统级标校方案。     

旋转调制式惯导系统隔离载体运动算法

旋转调制式惯导系统中,转位运动受载体运动的影响,误差调制效果受影响。针对这一问题,提出基于载体姿态角解耦的隔离载体运动算法。首先建立载体运动姿态角与旋转机构之间的数学关系,然后设计了隔离载体运动的力矩信号施加量的实时解耦算法,最终推导了隔离载体运动力矩信号的公式,完成了载体运动隔离算法的设计。数字仿真结果表明,通过该算法,可以降低载体运动对误差调制规律的影响。跑车试验结果表明,通过隔离载体运动算法的应用,转向对系统定位误差影响由不隔离载体运动时约0.5 nm降低到了基本为0 nm。     

线性时变模型的求解及其在惯导误差旋转抑制中的应用

讨论了线性时变状态空间模型的求解方法,针对惯性导航旋转误差抑制问题,对建立的齐次时变模型进行转化,得到等价的非齐次定常模型。求解该模型,并推导了单向旋转和往复旋转条件下,由陀螺漂移激励的导航误差的解析表达式;利用线性系统的可加性,分析了转动对于其它误差源抑制的可行性;此外,还指出了转动条件下的误差谐振旋转频率。通过设计仿真模型,对比了静态和转动条件下的导航误差,表明针对该时变系统的求解方法有效,惯性导航动态误差分析导出的结论正确,为高精度航海导航系统的工程实现提供了有益的理论指导。     

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、...     

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。     

单轴旋转调制捷联惯导系统倾斜角误差补偿

安装在单轴转位机构上的惯性测量单元(IMU),会因IMU坐标系与载体坐标系不重合而存在一定的倾斜角,此倾斜角会使得IMU在旋转过程中引入姿态误差,在很大程度上降低了系统的姿态输出精度。为了降低安装倾斜角对旋转式捷联惯导系统的影响,文章通过对旋转过程中因安装倾斜引起的姿态角误差进行了详细分析,然后运用实验和数据拟合的方法得出了倾斜角随转位机构变化的规律,最后对倾斜角产生的误差加以补偿。经仿真和实验验证表明,对倾斜角误差补偿后,单轴旋转式捷联惯性导航系统的水平姿态精度由原先的2°提高到0.05°范围以内,航向误差由原先的0.5°提高到0.005°,大大提高了旋转式捷联惯导系统的姿态精度,具有一定的工程应用价值。     

水平初始对准误差对旋转IMU导航系统的精度影响

针对旋转IMU导航系统中水平初始对准误差对系统导航精度的影响进行了分析和研究。以加速度计为例,分析了利用旋转自动补偿部分器件零偏的基本原理。然后详细推导了水平初始对准误差在IMU旋转过程中对导航精度产生的影响,指出了与常用导航方式的不同之处;在理论分析的基础上,进行了数学仿真和试验验证。结果表明,尽管通过旋转可以补偿部分惯性器件误差,但由于惯性器件的水平决定了初始对准误差,而初始对准误差对系统精度的影响在旋转过程中被激励出来,从而降低了系统的导航精度;因此,如果希望通过IMU旋转在长时间内获得更高的导航精度,需有效地降低系统初始对准误差。     

单轴旋转惯导系统旋转性误差分析及补偿

对单轴旋转惯导系统因旋转而引入的各项误差进行分析,研究其误差特性及补偿方法。针对单轴正反连续旋转方案,在假定惯性测试组件的器件误差和其他非旋转性的误差在精确标定的情况下,推导了因旋转轴安装不正交引起的涡动、轴系间隙引起的晃动、测角器件误差、旋转控制引起的换向超调误差、角位置、角速度不准确等因素而引起的误差的表现形式,定性和定量地分析了各误差对于系统精度的影响。针对对系统影响显著的旋转轴不正交误差,提出了一种基于系统自身旋转轴正反旋转的误差标定及补偿方法并进行了仿真实验。在给定条件下的仿真结果表明,该方法能够准确标定出旋转轴的不正交误差,标定精度达到角秒级。     

旋转惯导系统中转轴方向对系统调制精度的影响

不同轴向的惯性器件误差在惯导系统中的误差传播特性不同,因此在旋转惯导系统中转动机构选择不同转轴方向对系统精度的调制效果不同。分析了在选择不同轴向作为旋转轴时对导航系统精度的影响,并根据转台转轴与机体系、惯性器件(IMU)系之间存在的夹角关系,将其分为两种方案进行讨论,转轴与IMU系存在夹角以及转轴与机体系存在夹角。通过分析,前者在调制效果上与传统的单轴旋转惯导系统相同,而后者会改变调制效果。在此基础上,进一步推导分析了第二种方案下不同转轴方向与系统定位精度之间的内在关系,提出了一种在长时间导航情况下的转轴方向选择方案,并进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统单轴旋转惯导系统相比,该方案显著提高了系统的导航定位精度,对在不同情况下转台转轴方向的选择具有一定的工程应用参考价值。     

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。     

激光陀螺单轴旋转式惯导系统的转动方案分析

目前国际上的激光陀螺单轴旋转式惯导系统中,普遍采用一种四位置转停的惯性测量组合转动方案.通过对这种四位置转停方案的误差分析,指出它并不能够完全抵消掉转轴垂直平面内的所有陀螺常值漂移误差,并且载体航向变化会降低误差抵消的程度,基于此,在这种四位置转停方案基础上,首先提出了一种改进的四位置转停方案,可以抵消掉转轴垂直平面内的所有陀螺常值漂移误差,然后进一步提出了一种动态调整停止时间的四位置转停方案,使转轴垂直平面内的常值漂移误差的抵消程度不受载体航向变化的影响.分析表明,文中提出的这些改进措施和方法能够提高系统精度,而不会降低系统的可靠性,并且使用简单易行,可以应用于实际的单轴旋转式惯导系统中.     

INS/Doppler组合导航中安装偏角的在线估计

INS和Doppler在载机上安装时存在安装偏角,会对组合导航精度产生影响.为此,提出了一种新的INS/Doppler组合导航算法,将标度因数和安装偏角作为状态变量进行估计.在分析Doppler输出误差模型的基础上,详细推导了组合导航算法模型,并进行了仿真.仿真结果表明,在载机正常飞行并适当机动的情况下,该组合导航算法能够准确对标度因数和安装偏角进行估计,标度因数的估计精度为0.4‰,安装偏角的估计精度为0.1′-0.3′,从而提高了导航精度.     

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。     

安装误差角引起的加速度计旋转误差建模

在导航过程中惯性平台绕方位轴旋转能够有效地调制陀螺的常值漂移,但加速度计安装坐标系和陀螺安装坐标系的不重合会导致加速度计零偏也被调制为一个变化量,因此需要建立其旋转误差模型进行补偿。针对平台惯导台体绕方位轴旋转时加速度计误差补偿的实际需要,建立加速度计由初始安装误差角引起的旋转误差模型。模型主要针对旋转过程中由初始安装误差角导致的加速度计和水平面之间的不重合度,模型包括角度叠加模型和单位矢量旋转模型。通过对两种模型仿真分析,表明角度叠加模型计算量小,并且能够满足实际误差补偿需要。     

杆臂效应误差对晃动基座粗对准的影响

为提高晃动基座下惯导系统的粗对准精度,增强惯导系统对准过程中对环境的适应性,采用了一种基于补偿杆臂效应误差的晃动基座粗对准算法。研究了晃动基座下粗对准原理,推导了晃动基座下粗对准算法中的杆臂速度误差项,最后通过仿真和摇摆试验对在不同扰动条件下杆臂效应误差对粗对准的影响进行了验证。仿真验证和摇摆试验结果表明：在晃动基座下,杆臂效应误差对惯导系统粗对准精度影响显著,特别是在大幅晃动基座上,当补偿杆臂效应误差后,惯导系统粗对准精度可以提高10倍以上,为进一步实现高精度快速精对准奠定了基础。     

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%。     

挠性陀螺系统不对称性误差研究

首先从原理上分析其产生的原因,不对称性误差主要是由于陀螺系统中各环节的输入-输出关系并不是理想的线性特性而引起的;然后对陀螺系统不对称性误差进行定量分析,采用一种寻优的方法估算出不对称性误差值大小,并用实验进行验证;最后提出了一种不对称性误差的补偿方法,即在陀螺角速度模型中增加角速度绝对值项.实验结果证明了其简单有效性.     

基于北斗卫星导航技术的惯性导航系统误差估计方法

导航定位精度的提升可以提高舰艇的航行机动能力。INS是舰艇航行时可以依赖的主要自主式导航装备，原理上存在的长时间积累误差决定了必须寻找有效手段加以补偿。通过对INS误差可观测性分析，可以看出增加不同种类的外部导航信息观测量，将有效提高INS误差修正能力。围绕这一问题，对基于北斗导航定位信息的惯性导航修正效果进行了分析，仿真说明该方法可以较好提高INS性能。     

光纤捷联惯导系统高阶误差模型的建立与分析

针对多位置标定算法中利用的陀螺和加表的误差模型,在捷联惯导系统误差传播方程中,考虑陀螺和加表的标度因数误差和安装误差,建立了一种高阶误差模型。为了评价该模型的准确性,将其与不考虑标度因数误差和安装误差的模型比较,设计了系统静态和动态仿真实验。在系统静态仿真中,分别加入陀螺漂移和加表安装误差,而在动态仿真中同时加入各项误差项,求取以这些误差项为初值的模型微分方程的解,使其与惯导系统输出误差进行比较。仿真结果发现,建立的高阶误差模型比不考虑标度因数误差和安装误差的模型精度高出约三个数量级。     

基于误差四元数的捷联惯导全姿态导航与控制

在舵偏控制回路中使用欧拉角姿态信息,是现有飞行器捷联惯导系统普遍采用的方法。为避免垂直状态时欧拉角姿态表示法的算法奇异问题,引入了四元数姿态表示法,但是最终形成偏差输入到舵机的仍旧是欧拉角姿态信息。对此问题,文中分析讨论了捷联惯导系统中,以欧拉角信号控制飞行器舵偏输出(推力矢量输出)的传统方法的两点不足之处:垂直状态时欧拉角姿态算法的物理奇异问题;控制路径过长问题。提出由误差四元数直接控制舵偏输出(推力矢量输出)的新的捷联导航方法。此方法控制路径最短,且克服了物理奇异问题,不局限于飞行器所处的姿态,因此,将其称之为全姿态导航方法。仿真结果表明了此方法的可行性与有效性。