无陀螺捷联惯性导航技术

无陀螺捷联惯性测量装置与传统捷联惯导系统的主要区别是角速度的获取方式不同,角速度的解算精度是无陀螺捷联惯性导航系统的核心问题,决定了系统的性能及实际应用的可行性。本文剖析了无陀螺捷联惯性测量装置的误差来源,建立了无陀螺捷联惯性导航系统角速度解算数学模型,并重点探讨了加速度计元件误差对角速度解算精度的影响。进行了无陀螺捷联惯性测量装置试验,结果表明,尽管计算误差较大,但无陀螺捷联惯性测量装置可以反映出运动平台的角运动规律,实际应用中对加速度计精度和计算机速度要求较高,另外应寻找更好的算法尽量补偿角速度解算误差。     

GFSINS姿态角速度解算滤波环节设计

姿态角速度解算是无陀螺捷联惯导系统（GFSINS）的关键技术之一,目前基于代数方法提取的GFSINS姿态角速度的精度无法达到导航要求。通过总结现有的姿态角速度信息代数提取方法,分析各提取方法的输出特点,设计了四类姿态角速度提取的滤波提取方案,并利用系统两路独立的姿态角加速度和姿态角速度输出,设计了一类组合滤波器。仿真结果表明该滤波器获得的姿态角加速度和姿态角速度输出精度和稳定性相对现有姿态角速度信息代数提取算法均有大幅度提高。     

旋转式捷联惯导系统解算结构

分析了转位机构角速度误差和角位置误差对旋转式捷联惯导系统的影响,研究了旋转式捷联惯导系统的基本解算结构,这些对提高旋转式捷联惯导系统的精度具有十分重要的意义。详细介绍了角度调整型和角速度调制型两种旋转式捷联惯导系统的基本解算结构,给出了转位机构角速度误差和角位置误差在这两种解算结构下的误差传播特性。研究结果表明,对于角速度调制型解算结构,恒定的转位机构角速度误差等效于方位常值陀螺漂移,将对系统精度产生很大的影响,转位机构角位置误差与两个水平方向的角速度互相耦合,产生两个水平方向上的角速度误差;对于角度调制型解算机构,转位机构的角速度误差和角位置误差不引入到捷联回路,对捷联回路不产生影响,但是在IMU姿态到载体姿态变换的过程中,转位机构角位置误差引起载体航向误差,且航向误差的大小与转位机构的角位置误差相等。     

陆基导弹的无陀螺捷联惯导系统粗对准

基于一种九加速度计配置方案,给出了开平方法解算载体角速度的解算过程,并分析了无陀螺捷联惯导系统粗对准原理。由于开平方法解算角速度存在符号判断问题,所以在静基座下,系统初始对准时得不到载体角速度而导致地球自转角速度在载体坐标系上的分量无法获得。针对陆基发射导弹的无陀螺捷联惯导系统问题,提出了一种根据陆基发射导弹的初始纬度和航向角来判断载体角速度符号的方法,把此方法与开平方法解算公式结合起来可得出载体角速度矢量,进而完成陆基发射导弹无陀螺捷联惯导系统的自主式粗对准。     

新型无陀螺捷联惯导系统导航方案设计及建模

针对传统无陀螺捷联惯导系统角速度求解复杂,解算效率低,惯性元件安装精度要求高等问题,提出一种新型的无陀螺捷联惯导导航方案,将8-UPS型并联式六维加速度传感器作为其惯性元件,直接测量出运载体的六维绝对加速度。基于矢量力学理论,推导了其惯导基本方程;通过数值积分运算来提取载体的线运动参量;运用空间几何理论建立姿态方程,实时更新捷联矩阵以获取载体的角运动参量,从而完成了导航建模与解算。仿真结果表明该系统能满足航行体中精度实时导航的要求,是有效可行的。与同类导航相比,该系统具有结构紧凑、解算效率高、物理模型误差敏感性低等优势。     

GFSINS姿态角速度双路组合方案设计

针对无陀螺捷联惯导系统解算载体姿态角速度精度不高的系统瓶颈,分析现有的一种九加速度计配置方案角速度信息输出特征,提出通过改进解算方法,在载体上同时获取两套相对完整而独立的姿态角速度信息从而构成姿态角速度双路组合方案的设想,并且在该组合方案中引入反馈型自适应神经网络,通过设置合理的神经网络学习周期,提供更逼近真实值的加速度计输出,结合包含加速度计误差少、没有加速度计误差积累两种优点的姿态角速度辅助算法,以获得更高精度的载体姿态角速度输出,进一步提高无陀螺捷联惯导系统导航精度.仿真结果验证了该设计思想可行性,并且证明了角速度双路组合方案相对普通角速度解算方案在精度上的优势.     

基于H∞滤波的舰载机惯导海上自对准方法

针对因风浪干扰、高频颤振等因素影响,使得舰载机惯导海上自对准量测方程中产生未知的量测干扰,进而导致滤波器性能降低的问题,引入H∞滤波技术.阐述了舰载机捷联惯导海上自对准的基本思想,建立了自主精对准状态空间模型,设计了一种基于H∞滤波的自对准滤波器,有效抑制了外界噪声的干扰,确保了系统的鲁棒性.仿真结果表明,常规卡尔曼滤波在5 min的对准时间里,无法完成对姿态角误差的估计.而H∞滤波在5 min内,不但可以估计出姿态误差角误差,且水平对准精度在2′以内,方位对准精度约12′,还可以估计出陀螺零偏和加速度计零偏误差,并可以获得较好的快速性和平滑性,不失为一种有效的海上自对准方法.     

捷联惯导系统传递对准两种滤波方法比较研究

将H∞滤波方法用于捷联惯导系统（SINS）空中动基座传递对准，并对卡尔曼滤波和H∞滤波应用于传递对准的鲁棒效果进行了比较研究。仿真结果表明，在有色噪声和白噪声强度较小时，两种滤波方法的滤波精度差别不大，但当有色噪声和白噪声强度较大时，卡尔曼滤波精度优于H∞滤波。换言之，卡尔曼滤波对于噪声的不确定性是具有一定的鲁棒性的，并且就估计精度而言，其鲁棒性优于H∞滤波，但H∞滤波的估计速度优于卡尔曼滤波。     

13加速度计捷联惯导姿态解算方法(英文)

为了减小全加速度计捷联惯导(亦称无陀螺惯导)角速度重构误差以提高姿态解算精度,提出了一种13加速度计无陀螺惯导配置方案。针对合理设计的13加速度计捷联惯导能同时提供角速度和角加速度信息的特点,提出了一种基于角速度/角加速度信息的捷联姿态算法,采用艾尔米特插值方法进行离散角速度插值重构,利用重构后的角速度信息进行姿态矩阵求解。分析了新姿态算法的基本步骤,并进行了典型圆锥运动仿真实验。结果表明,采用新方法求解姿态矩阵的精度提高40%以上。不同于传统姿态算法仅利用角速度信息,新的姿态算法利用更多的信息,能获得更好的精度。     

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Elman神经网络和Kalman滤波的捷联惯导精对准

在采用Kalman滤波进行捷联惯导精对准时,当模型存在误差或系统噪声不能反映实际噪声时,会降低滤波精度甚至导致滤波发散.针对这个问题,提出基于Elman神经网络和Kalman滤波的捷联惯导精对准方法.首先对已知噪声统计特性的系统进行Kalman滤波,将稳定可靠的状态估值作为网络期望输出用来训练Elman网络,然后再用训练好的网络对未知噪声统计特性系统进行状态估计.利用仿真数据对该算法进行验证,结果表明该算法能够克服Kalman滤波精对准的缺陷,提高了对准精度,尤其是航向角的精度.     

基于外定位阻尼的捷联惯导算法设计

传统外阻尼惯导系统以外速度作为辅助参考,但在仅能提供外定位参考的条件下,为了避免由定位信号差分求取速度时造成噪声放大负面效应,推导了基于定位误差的罗经初始对准算法,并将它与捷联惯导姿态解算相结合,得到定位阻尼捷联惯导算法.该算法具有计算量小和稳定性好等优点,但与Kalman滤波组合导航相比,也有它自己的应用条件并存在一些不足之处.最后,利用GPS定位和激光捷联惯导系统进行了车载试验,验证了所提算法的有效性.     

单陀螺多加速度计捷联惯性导航解算方法

六加速度计无陀螺惯导系统误差随时间发散比较严重。为了有效提高导航系统精度,提出了一种单陀螺仪多加速度计(五加速度计)的捷联惯性导航解算方法。该导航解算方法通过合理配置5个加速度计和1个陀螺仪,可不经积分而直接解算角速度,完全消除了加速度计输出方程中角加速度项的影响,能使在姿态和位置解算时分别减少1次积分,从而有效抑制误差随时间发散。给出了单陀螺多加速度计捷联惯导姿态和位置解算原理的理论推导过程,并对该导航解算方法进行了仿真。在仿真时间为80 s时,与无陀螺惯导相比,该方法的姿态解算和位置解算精度均提高了60%以上。     

无陀螺捷联惯导系统角速度解算精度的研究

在无陀螺捷联惯导系统中,角速度的解算精度是技术关键,由于角速度是由载体上加速度计敏感出的比力解算出的,选择合理的方法解算角速度是提高其精度的根本,文中提出高解算精度的新途径,并以某型导弹为例,对其进行实时仿真,证明了它的可行性。     

方位捷联平台重力仪分布式Kalman滤波初始对准算法

为充分利用分布式架构重力仪各处理器并行计算的能力,解决单个处理器运行整体式Kalman滤波所遇到的非实时性问题,设计了一种分布式Kalman滤波对准算法。首先,给出了方位捷联平台重力仪的误差方程,建立了系统的状态方程和观测方程。然后,用协方差分析法对系统初始对准滤波方程进行处理,将原系统分解成维数相同的两个子系统,得到由两个子滤波器构成的初始对准滤波器。最后,利用Matlab建立了方位捷联平台惯导模型,分别应用整体式滤波和分布式滤波进行静基座初始对准。仿真结果表明,分布式滤波算法与整体式滤波算法具有相同的滤波精度,并且分布式滤波用时只有整体式滤波的60%,更有利于保证滤波算法的实时性。     

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。     

基于鲁棒滤波的挠曲变形和动态杆臂补偿算法

针对舰载传递对准中主/子惯导之间挠曲变形及其产生的动态杆臂问题,首先分析了主/子惯导的IMU输出关系;然后建立了子惯导的系统误差模型;最后将挠曲变形和动态杆臂视作一种能量有限的未知量测噪声,设计了H∞滤波算法。仿真实验对比了已知挠曲变形和动态杆臂时的Kalman滤波方案1和未知挠曲变形和动态杆臂时的Kalman滤波方案2、H∞滤波方案3的对准效果,结果表明:使用H∞滤波方案3的航向对准速度较慢,但最终对准精度优于使用Kalman滤波方案2,与使用Kalman滤波方案1的对准精度相当,水平精度达到0.15'以内,航向精度达到0.5'以内,运算时间减少约20%。因此所设计的H∞滤波算法对挠曲变形和动态杆臂有良好的抑制能力,满足实际舰载传递对准的要求。     

基于Krein空间的鲁棒Kalman滤波在传递对准中的应用研究

基于Krein空间的鲁棒Kalman滤波器与通过其它方法建立的鲁棒Kalman滤波器相比有较高稳态精度。文中将基于Krein空间的鲁棒Kalman滤波方法用于导弹捷联惯导系统动基座传递对准，并与标准Kalman滤波进行了比较。仿真结果表明，在垂直比力参数存在摄动的情况下，如果基于Krein空间的鲁棒Kalman滤波器的参数选取适当，它的精度鲁棒性优于标准Kalman滤波。     

舰载角速度匹配传递对准方法研究

为了提高舰载局部捷联惯导系统的导航精度，希望能够在传递对准过程中，对船体甲板变形进行估计，对惯性器件的某些误差进行标定，并进行补偿。作为参数匹配传递对准方法之一的角速度匹配法为此提供了可能。文中对角速度匹配法中的三种不同海况下的系统状态可观测性进行了详细的分析，并对船体甲板变形和陀螺漂移进行了Kalman滤波估计及精度分析。研究结果表明，这一方法具有较好的对准精度和快速性，但具体情况随船体的运动情况而不同。     

面向载体自转的无陀螺捷联惯导系统

鉴于大多数无陀螺捷联惯导系统忽略载体质心位置和加速度计组件中心位置之间的距离，从理论上推导出了面向载体自转的无陀螺捷联惯导系统的基本方程，分析了载体自转对无陀螺捷联惯导系统性能的影响，为无陀螺捷联惯导系统进一步提高导航精度奠定基础。