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。     

捷联惯性测量组合误差系数的软件补偿法研究

针对捷联惯性测量组合误差的数学模型,提出了惯性组合误差补偿的计算方法,推导了计算过程,得到了陀螺和加速度计误差补偿公式.通过补偿计算,能够得到弹体在采样时间间隔内运动的视速度增量和角增量.该算法能够满足应用的精度要求,对捷联惯性测量系统的误差补偿有一定的有效性和可行性.     

基于内阻尼的捷联航姿算法

捷联惯性航姿系统自身的特征就是误差存在舒勒周期振荡和傅科周期振荡,这就限制了捷联惯性航姿系统的精度。为了提高系统精度,将传统的平台内阻尼的思想引入到捷联惯性航姿系统中,通过设计水平回路中误差通道的三阶内阻尼网络,利用系统自身的速度信息来阻尼周期振荡,同时在内阻尼思想基础上提出了基于内阻尼的捷联航姿算法。由于改变了舒勒调谐的条件,内阻尼算法只有在加速度较小的条件下才能适用。通过数字仿真证明,在载体加速度较小的条件下,新的算法能够抑制舒勒周期振荡和傅科周期振荡,提高了捷联惯性航姿系统的精度。     

捷联式航向姿态基准系统的实时在线校正问题的研究

随着惯性仪表和计算机技术的不断发展和完善，捷联式惯性技术近年来正从理论与实验研究中走向实际领域。由于目前捷联系统的精度指标还处于低级或中级阶段，所以捷联技术的应用对象还十分有限，提高精度指标是目前捷联式惯性技术研究领域亟待解决的问题。本文通过对捷联系统误差特性的分析，提出了捷联系统实时在线校正方法，它是一种从软件算法入手来提高捷联系统精度指标的方法。在目前从惯性仪表制造工艺等硬件方面来提高系统精度存在着很多困难的情况下，本文所研究的课题有着重大的理论意义和现实意义。     

旋转IMU在光纤捷联航姿系统中的应用

惯性测量单元输出信号的精度直接影响捷联惯性导航系统的精度,为了提高捷联系统的精度,以舰船光纤捷联惯性航姿系统为应用对象,采用了双轴旋转机构连续匀速旋转IMU的系统方法,把惯性测量单元输出信号中的漂移误差调制成正弦信号,通过捷联算法中的积分运算可以有效地消除陀螺和加速度计中的漂移误差,从而有效地提高捷联惯性航姿系统的精度,并进行了系统仿真实验。仿真结果表明:经过旋转以后的IMU输出信号误差较传统非旋转方法可以减小一个数量级。基于双轴旋转IMU的系统方法可以有效地减小IMU输出信号漂移误差和提高捷联惯性航姿系统的精度。     

捷联惯导基于星体跟踪器的高精度初始对准算法

捷联惯导与小视场星体跟踪器构成惯性/天文组合导航系统,导航精度受导航初始误差和器件误差的综合影响。基于此,提出一种捷联惯导与小视场星体跟踪器相组合的初始对准算法,对导航初始姿态误差和惯性器件误差进行估计修正。捷联惯导初始对准过程完成之后,在地面准静基座条件下做速度和位置阻尼条件下的惯导更新解算,利用捷联惯导系统的速度误差量测及小视场星体跟踪器的导航误差角测量量,设计组合粗对准算法和组合精对准算法,用于对捷联惯导系统的初始对准误差和惯性器件误差做进一步有效估计。仿真结果表明:对中等精度导航级捷联惯导系统,组合对准后水平姿态精度可提高到2’’,方位精度可提高到5’’。     

高动态载体高精度捷联惯导算法

捷联惯导系统的精度是导航的关键.传统的捷联惯导算法受惯性传感器更新速率限制,其精度和实时性在高动态下受到极大影响.在研究传统捷联惯导算法的基础上,建立了统一的捷联惯导微分方程,并提出了基于一次采样的四阶龙格库塔捷联算法,降低了惯性器件采样频率对捷联解算周期的限制.利用设计的基于DSP的半物理仿真系统验证表明,该算法能有效满足高动态下捷联惯导算法的实时性要求,定位精度提高约1倍,具有重要的工程应用价值.     

基于GPS的弹载捷联惯导动基座传递对准技术

针对载机未装备主惯导系统的弹载捷联惯导初始对准问题,提出了一种基于机载GPS信息的动基座传递对准算法。首先利用惯性凝固思想设计了基于比力积分和GPS速度信息的惯性系粗对准算法,粗略估计弹载惯导的初始姿态;然后通过分析惯导系统在惯性系下的导航误差方程,设计了基于GPS信息的"速度+位置"匹配卡尔曼滤波精对准算法,对粗对准误差做进一步估计补偿。车载试验结果为:与车载激光捷联惯导输出相比,水平和方位对准精度分别为6’和18’。试验验证了该算法的有效性,为未装备机载主惯导的弹载捷联惯导的快速初始化提供了工程应用参考。     

静电陀螺捷联系统姿态初始对准研究

静电陀螺是构成捷联系统的理想惯性元件。与速率陀螺相比，静电陀螺捷联系统姿态初始对准有其相应的特点，通过陀螺传感器敏感转子极轴与壳体座标系之间的方向余弦和加速度计的输出信息获取载体的姿态角。由于极轴在惯性空间稳定的特点使静电陀螺捷联系统在姿态初始对准时可应用天文导航原理。基于此，本文用天文导航算法对静电陀螺捷联系统姿态初始对准原理进行了探讨，并分析了陀螺漂移、陀螺传感器测角误差和加速度计观测误差对姿态初始对准精度的影响。所得结论对静电陀螺捷联系统的理论和应用研究有参考意义。     

一种自适应H_∞滤波的运动学约束惯性导航方法

纯捷联惯性导航系统的精度主要受限于传感器精度,为了在固有的传感器精度上进一步提高纯捷联惯性系统导航精度,提出了一种基于自适应H_∞滤波的运动学约束辅助惯性导航算法。利用运动约束条件,将载体系中的侧向和上向速度作为量测量,将纯捷联惯性导航系统输出的姿态误差、速度误差及传感器误差作为状态量,采用一种能够自动调节滤波器参数的自适应H_∞滤波方法以提高系统性能。实验结果表明,所提出的自适应H_∞滤波运动学约束算法与无约束纯惯导算法相比能够提高23.7%～81%的定位精度,与无自适应H_∞滤波运动学约束算法相比能够提高16.3%～62.2%的定位精度。     

圆锥误差补偿算法在三轴激光捷联惯导系统中的应用

圆锥误差是影响捷联惯导系统姿态算法精度的原理性误差,其对三轴激光捷联惯导系统精度的影响显著.对三轴机抖激光陀螺捷联惯导系统,除了弹体运动可能引入圆锥运动外,三轴机抖激光陀螺产生的机械抖动也会在惯导系统中引入圆锥运动.文中分析了两种圆锥运动在三轴激光捷联惯导系统中产生的机理,并给出了圆锥误差补偿算法在不同试验条件下的应用效果.     

捷联惯导系统中的圆锥和伪圆锥运动研究

分别对圆锥运动和伪圆锥运动的产生原因、表达形式,以及对捷联惯导系统的影响进行了分析.由于圆锥运动和伪圆锥运动并不相同,因此圆锥运动补偿算法将对两者产生不同的效果.数字仿真表明,圆锥补偿算法可以大大降低经典圆锥运动对捷联导航系统的不利影响,但同时却会增大伪圆锥运动对捷联导航系统的不利影响.因此在实际应用当中,应当结合圆锥运动和伪圆锥运动对系统的影响比重,选择合适的圆锥补偿算法.     

一种纬度未知条件下捷联惯导抗扰动自对准算法

针对地理纬度未知且包含有角晃动干扰、高低频线运动干扰等复杂环境下,捷联惯导系统难以实现快速、高精度对准的问题,提出了一种纬度未知条件下的抗扰动自对准算法。通过设置滑动窗口,根据惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度矢量的夹角求取纬度信息,该算法充分利用实时的惯性仪表数据实现对纬度的估计。通过将初始对准问题转化为姿态确定的问题消除角晃动干扰的影响,利用惯性坐标系下重力加速度矢量和晃动干扰加速度的频率特点,引入小波阈值消噪和多项式优化的算法抑制线运动干扰的影响,从而提高惯导系统抗扰动自对准精度。仿真和车载半物理实验结果表明,该算法具有纬度自估计、隔离角晃动和线运动干扰的能力。在导航级惯性仪表参数下,可将实时估计的纬度的误差限制在0.1°左右,抗干扰自对准的航向角误差接近惯性器件误差决定的极限精度。     

基于多项式拟合的抗扰动纬度估计和粗对准方法

针对纬度未知条件下捷联惯导系统(SINS)扰动基座下初始对准问题,提出了基于惯性系比力积分及多项式拟合的纬度估计与粗对准算法。首先,基于惯性系和姿态阵链式分解,隔离角晃动;其次,通过比力积分,平滑高频线运动干扰和加速度计噪声;最后,对比力积分进行以时间为自变量的三次多项式拟合,进一步抑制线运动干扰,同时根据拟合参数实现纬度估计和粗对准。转台摇摆对准实验结果表明,高精度光纤捷联惯导系统采用该算法可以在1 min内实现纬度估计和粗对准,纬度估计精度优于0.2°(RMS),以静基座对准后姿态保持结果作为摇摆状态姿态参考时,水平姿态角相对偏差小于0.001°(RMS),航向角相对偏差不大于0.07°(RMS),可满足粗对准工程应用的快速性和精度要求。     

针对高动态载体应用的高精度捷联惯导姿态算法优化方法

提高高动态条件下捷联惯导姿态算法的解算精度和解算实时性是提高高精度捷联惯导系统实用性能的重要基础。特别是针对高超飞行器等高速高动态载体的高精度实时导航需求,需要采用较高的惯性器件采样率,以提高高动态条件下的姿态解算精度。由于传统捷联指北姿态算法中器件采样率的增加会导致算法运算量的大幅增加,影响算法的实时性。基于此,提出了基于捷联算法优化编排原理的双速姿态解算方法和工程实现编排方法。该方法在增加惯性器件采样率的同时并不会显著增加计算量,能有效满足高速高动态载体的实时性导航解算需求。仿真试验结果表明,在高动态仿真条件下,双速优化姿态编排算法与传统指北算法相比,更能有效满足高动态下捷联惯导算法的实时性和高精度解算要求。     

陀螺随机常值漂移的多级标定法

在船用捷联惯性系统中,陀螺漂移是引起系统误差的主要原因。对陀螺漂移进行补偿是提高捷联系统精度的一个重要手段。本文在对捷联惯导系统误差模型进行分析的基础上,针对用现有的Kalman滤波算法很难在较短的时间内达到较高的陀螺随机常值漂移标定精度的情况,提出了陀螺随机常值漂移的多级标定法。     

捷联惯组减振系统角振动、线振动共振频率理论分析

当前实际工程中,角振动试验技术和设备尚不成熟。以指导捷联惯组减振系统设计过程为目的,结合捷联惯性组合减振系统对角共振频率的特殊要求,对线振动、角振动共振频率的关系进行了分析与讨论。建立了捷联惯性组合减振系统的动力学模型,得到了捷联惯组减振系统数学模型,利用刚体动力学方法分析捷联惯组的转动惯量和回转半径,得出理想情况下捷联惯性组合减振系统线共振、角共振频率存在一定的比例关系,并与减振器安装中心到转动中心线的平均距离和惯组回转半径有关的结论。最后讨论了改变减振系统刚度和减振器布置方式两种改变共振频率的方法,并对两种方法进行了比较。     

舰船捷联惯导传递对准仿真验证系统设计

为解决船用捷联惯导系统传递对准仿真中载体机动方式与实际差别较大的问题,提出了基于舰船空间运动的传递对准精度考核的仿真验证系统,提高载体机动方式仿真逼真度。仿真验证系统通过舰船空间运动建模,提供接近真实运动环境的空间运动参数;通过设计空间变换算法,实现了空间运动参数与主惯导惯性器件模拟输入的转化;通过杆臂及挠曲变形计算,实现了子惯导惯性器件模拟输入的转化;文中给出了各模块的算法及解算流程。速度+姿态传递对准算法仿真验证结果为10 s内水平失准角精度优于0.02;方位失准角精度优于0.05。仿真验证试验结果表明了该方案的可行性和实用性,该方案为其他领域的传递对准方案分析及验证提供了有效的参考依据。     

一种用于旋转捷联惯导系统误差分离与补偿的改进环境函数法(英文)

旋转捷联惯导系统可以有效调制惯性器件常值误差,使系统定位精度得到提高。但系统因内部的旋转运动使得惯性器件的输出需要转化,从而增加了器件综合误差解算的复杂性。文中分析了旋转惯导系统的特性,建立了一种新的惯性器件工具误差模型,对捷联惯导系统下的环境函数误差辨识方法提出了改进方案,对惯性器件工具误差进行辨识分离。同时,针对环境函数矩阵求解时样本少、解算精度不高的问题,提出了利用加权最小二乘法对多样本值进行权重匹配分析的方法,提高了器件误差的辨识精度。实验结果表明,零偏估计及分段分离补偿的方法能较好地补偿惯性器件特性误差,有效提高系统的定位精度。     

复杂干扰环境下捷联惯导自对准算法

针对在包含有角晃动干扰、高低频线运动干扰以及突变干扰等复杂干扰环境下,捷联惯导系统难以快速高精度实现对准的问题,提出了复杂干扰环境下捷联惯导自对准算法。该算法通过将自对准问题转化为Wahba姿态求解问题来消除角晃动干扰的影响,利用惯性系下的重力矢量信号的时域、频域特性,用低通滤波器法和时域信号处理方法来消除高、低频线运动干扰和突变干扰,并同现有算法仿真比较,验证了算法有效性。仿真结果表明,该算法在上述复杂干扰环境下180 s时方位对准精度收敛到10′以内,300 s时方位对准精度达到4.75′,能够实现较高精度的快速自对准。