一种绕任意轴旋转的捷联惯导系统多位置初始对准方法（英文）

基于单轴旋转SINS的多位置对准方法通常要求旋转轴和方位轴重合,轴重合误差会影响多位置对准精度。针对这一问题,提出了一种可绕任意轴旋转的多位置初始对准方法,几何分析指出,该旋转轴可沿任意方向,不需要与方位轴重合,它只需绕某任意旋转轴转过两个已知角度即可解算出IMU的零偏,提高对准精度。仿真实验显示,提出的绕任意轴旋转的多位置对准方法相比单个位置下的解析粗对准方法的对准精度显著提高,航向角误差由5'降低到0.2'以下。     

捷联惯导系统双位置快速抗干扰对准方法

经典捷联惯导系统双位置参数辨识精对准采用水平速度作为量测值,对部分参数辨识时间较长,且收敛速度受递推计算初值影响。提出了一种利用单位时间的水平比力作为量测值的双位置快速抗干扰对准方法,并忽略误差构成的高阶项,可以将三次曲线转换为线性模型进行估计,提高了初始对准的收敛速度。双位置对准试验结果表明,双位置快速抗干扰对准方法算法计算量小,算法简单,对准速度快,抗干扰性强,对准精度高且不受递推计算初值的影响,具有较强的工程实用价值。     

捷联惯性系粗对准误差及数值问题分析

针对捷联惯导系统惯性系粗对准算法的对准误差进行了详细地分析。首先,依据惯性器件输出模型和粗对准算法模型,经过严格数学推导,得到了对准误差的解析表达式。其次,从求解矩阵方程的角度考察粗对准过程,得出对准过程等效于病态方程组的求解问题。理论分析表明,一方面惯性系粗对准算法的理论对准精度取决于惯性器件的精度,另一方面,对准误差上限取决于具体的算法和量测相对误差。在此基础上,进行了简单而有效的计算机仿真,结果与理论分析及工程经验吻合。     

制导炮弹捷联惯导基于GPS的飞行中对准算法(英文)

提出了一种适用于制导炮弹上低精度MEMS IMU/GPS组合系统的飞行中初始对准算法。通过引入辅助的载体惯性系和导航惯性系,将所求姿态四元数分解为三部分:第一部分描述载体系相对于载体惯性系的姿态,由MEMS陀螺仪输出积分求解;第二部分描述导航系相对于导航惯性系的姿态,利用GPS位置输出解析求解;第三部分描述两辅助惯性系的相对姿态,采用Re-quest算法完成解算。详细讨论了算法误差、有效性条件,并对Re-quest算法进行了优化和简化。蒙特卡洛仿真结果表明,在弹体加速度以指数规律变化条件下,对准算法可以在10 s时间内达到水平误差小于0.2°(1?)、航向误差小于0.4°(1σ)的精度,完全满足制导炮弹组合系统初始对准的精度要求。     

低成本GPS/IMU组合导航中的速度匹配对准研究

由于低成本IMU的输出具有较大的偏差和噪声，地球的自转速率完全被淹没在其中，无法实现自对准。因此在低成本IMU／GPS组合导航系统的设计中，初始对准使用GPS提供的速度信息进行纠偏，从而较好的估计了航向误差和IMU参数误差。仿真和实际应用都得到了较好的效果。     

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。     

一种车载捷联惯导行进间QUEST优化粗对准算法

针对车载捷联惯导的传统动基座对准方法精度较低及环境适应性较差的问题,提出了一种基于QUEST的行进间粗对准优化算法。首先使用姿态矩阵分解的方法,得到不同参考系下对重力矢量的观测值。然后分析不同环境对于对准算法的影响,利用优化的QUEST算法,对不同时刻的重力矢量信息进行分析,基于误差信息对权重值大小进行合理分配,提高算法稳定性。实时估计车载体姿态、速度、位置,并反馈到下一次计算中去,形成闭环,提高粗对准精度。仿真和车载实验表明,该算法能够实现车辆行进过程中的姿态粗对准,多组实验下航向角误差在150 s内可达到±2°以内。     

基于惯性参考系基准的快速传递对准方法

研究了以惯性参考系为基准的新型传递对准方法。推导了计算惯性坐标系和计算体坐标系传递对准动态误差模型,并给出了相应的"速度+姿态"观测方程。基于惯性参考系的对准方法通过链式法则将子惯导输出的姿态矩阵描述为三个变换矩阵之积,其中两个变换矩阵通过对准时间和主惯导提供的位置信息可得到精确求解,剩余的变换矩阵(子惯导体坐标系至惯性坐标系间的变换矩阵)通过子惯导陀螺仪的输出进行解算,其误差通过传递对准估计得到的失准角进行补偿。对提出的两种对准方法进行摇摆实验验证,方位对准误差优于4’(1)。与传统基于导航坐标系的方法相比,基于惯性坐标系的方法直接将误差定位到惯性坐标系上,具有算法简便的特点。     

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。     

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IMU的多位置旋转现场标定方法

针对低成本IMU的系统误差难以现场快速标定问题,提出了一种无需任何外部设备辅助的多位置旋转现场标定方法。该方法通过比力加速度与重力建立加速度计的误差模型,基于动态旋转以及标定后的加速度建立导航方程实现陀螺仪误差建模,使用改进的LM算法,实现低成本IMU误差参数的快速标定。实验结果表明:该方法可以有效地标定出加速度计和陀螺仪的安装误差、缩放因子和零偏误差,极大地简化了标定的过程,标定补偿后的IMU原始数据质量大幅提高,在100 s的静态导航试验中,x、y、z的定位精度分别从2541.547m、895.191m、7267.507m提升至80.229m、41.430m、99.832m。     

炮载捷联惯导晃动误差补偿方法

以某型自行火炮为研究对象,分析了其在匀速直线行驶过程中车体晃动的特点。提出了利用加速度信息修正陀螺信息的晃动补偿新方法,并详细推导了补偿公式,利用传统解析法实现了自行火炮在匀速直线行驶条件下粗对准。仿真结果表明,利用加速度计信息可以准确得出当前姿态角和角速度,并且能够有效补偿陀螺晃动误差。在跑车试验中,首先利用FIR数字滤波器处理加速度计输出信息,然后用所提补偿方法补偿陀螺输出,结果表明在匀速直线行驶条件下,经过晃动补偿后传统解析式粗对准的精度与未经补偿的惯性系粗对准的精度相当,水平失准角均优于0.1021mil,航向失准角优于3.8603mil,表明该方法具有良好的工程适用性。     

外场条件下激光捷联惯组多位置标定方法精度分析

从标定算法误差和位置编排对标定精度的影响两个方面对外场激光惯组多位置标定方法的标定精度进行了分析。证明多位置标定中由粗对准姿态角代替精确姿态角所产生的误差为二阶小量,而对加表等效天向误差和陀螺等效北向误差的估计误差会直接影响标定精度。数学仿真表明对于加表零偏10-4g,加表标度因数10-4和陀螺零偏10-2 deg/h数量级的激光惯组,该多位置标定方法的估计精度高于相应误差参数本身2个数量级,说明该方法具有较高精度。在优化位置和非优化位置条件下,多位置标定方法精度的仿真结果在同一个数量级,说明该多位置标定方法对位置编排不敏感。     

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。     

分布式系统中捷联惯性系统动基座对准研究

为解决舰载捷联系统动基座对准中甲板挠曲变形及惯性组件箱(IMU)的安装误差对初始对准精度的影响，建立了捷联惯性系统误差模型、甲板挠曲变形模型、IMU安装误差模型，并利用速度加姿态角匹配方法，建立了量测误差模型。在此基础上利用状态扩展法建立Kalman滤波器，并进行了仿真。仿真结果表明，在舰船有摇摆的情况下，可以有效地估计IMU安装误差角和甲板挠曲变形误差角。     

一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法

针对单轴旋转式捷联惯导系统中旋转轴方向惯性器件误差导致系统误差积累的问题,提出一种惯性测量单元非正交安装的单轴转位方法,该方法不但可消除旋转轴垂直方向惯性器件误差对导航精度的影响,而且可减小旋转轴方向惯性器件误差引起的导航误差。基于单轴旋转调制原理,推导了非正交安装方法和正交安装方法的陀螺常值漂移和加速度计零偏在单轴旋转下引起的姿态误差,并对其进行分析,结果表明,在陀螺仪和加速度计常值漂移及零偏相同的情况下,非正交安装方法与正交安装方法相比,安装斜角为10°时72 h的定位误差降低约50%。     

基于双轴旋转惯导的激光陀螺仪与g有关偏置自标定法

标定激光陀螺仪与g有关偏置可以进一步提高双轴旋转惯导的定位精度。在传统的六位置标定方法上增加四个倾斜的位置,形成一套十位置自标定算法。该算法不仅可以标定惯性器件的常值偏置,比例因数误差和失准角,还能标定陀螺仪的与g有关偏置。静态试验表明,在标定和补偿了陀螺仪与g有关偏置项后,经纬度误差(尤其是经度误差)随着时间的变化量明显减小。与传统的六位置法相比,经度误差随着时间发散速度明显降低。该自标定法在静态时至少可以提高50%的系统精度。     

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%。     

里程计辅助陆用惯导行进间对准方法

行进间对准技术能够使惯导在运动状态下完成系统初始化,它对于提高载体机动能力具有重要作用。与静基座对准不同,行进间对准通常需要利用外部设备(在陆用导航领域,通常使用GPS或里程计)提供载体运动信息对惯性导航系统输出进行补偿和修正。由于里程计辅助的行进间对准具有全自主的特点,因而被广泛采用。本文通过对里程计误差进行合理建模,并采用位移增量匹配方法实现了里程计和惯导系统的组合。同时,针对复杂路面环境下由于车体侧滑、空转等造成里程计测量失准等故障现象进行有效诊断,以此提高了组合导航系统的可靠性。通过行进间对准试验,结果表明由里程计辅助的惯导系统经过10 min初始对准,航向误差小于0.05°,精度和静基座相当。     

激光陀螺速率偏频系统初始对准方法研究

针对速率偏频激光陀螺转动的工作特性，建立了新的系统误差方程，并在静基座条件下，采用卡尔曼滤波方法实现了系统的初始对准。仿真结果表明，这种初始对准方法对准速度较快，水平对准精度比抖动偏频系统提高了一个数量级，方位对准精度也有较大提高，并且对两个水平加速度计随机常值偏置有很好的估计效果。