基于惯导姿态信息的高鲁棒性星图识别算法

为提高组合导航条件下星图识别的速度和鲁棒性,提出了基于惯导姿态信息估计星敏感器光轴指向和观测瞬时导航星表的方法,将瞬时导航星表与"金字塔"星图识别算法结合,剔除了角距满足观测星对但位置远离光轴的导航星对,减少了识别时相应观测星的导航星候选结果,提高了识别的速度和鲁棒性.对光轴指向误差为10°的情况进行了仿真,结果表明:当星位置误差小于50"时算法可以识别只包含2颗导航星的星图,当星位置误差小于250"时算法的识别率接近90%;平均识别时间约为27 ms.仿真结果说明算法在星位置误差较大时具有优势.     

经纬仪测星评估惯导系统姿态角误差方法

针对动态条件航天测量船惯导系统姿态角精度鉴定和评估这个困扰多年的难题,提出一种利用经纬仪观测恒星对惯导姿态角误差进行解算的方法:用短时间(每颗星记录2 s)观测方位角大致均匀分布的多颗恒星数据解算惯导姿态角误差的稳态分量;用较长时间(每颗星记录200 s以上)观测特殊方位角单颗恒星的数据,观察惯导姿态角误差的动态特性,详细介绍了该方法数学模型的推导过程,从理论上分析了该方法各种数据误差源对解算精度的影响,并利用实际观测数据对惯导姿态角误差稳态分量和动态特性进行了解算和观察,结果与航天测量船惯导系统的设计指标基本吻合,表明该方法可以作为评估航天测量船惯导系统姿态角动态精度的一种有效手段.     

外场标定条件下捷联惯导系统误差状态可观测性分析

为了适应惯导系统的长期稳定使用和避免从机组上拆装的麻烦,实现惯组的外场标定是非常有意义的。在不依赖转台等设备的条件下,分析了仅依靠速度误差和位置误差信息时激光陀螺捷联惯组的误差参数的可观测性问题。首先从外场条件下系统误差的动态方程出发分析了捷联惯组的误差状态（姿态误差以及陀螺和加速度计的六个常值漂移）的可观测性并且进一步分析了误差状态估计的收敛速度以及受观测噪声的影响程度。分析表明,单一位置条件下在没有精确初始姿态误差信息的情况下惯性仪表零偏是不可观测的,为了较精确地估计出惯组的误差系数需至少将惯组摆放三个位置。最后对理论分析结果进行了仿真验证。     

基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估方法

针对无外界参考航向信息情况下的舰船航向误差实时动态评估问题,提出一种基于双轴旋转惯导的动态评估方法。通过对比分析引起双轴旋转惯导航向误差和纬度误差的传播规律,建立了双轴旋转惯导纬度误差和航向误差之间的关联性模型。根据二者之间的关联性模型,在可获取外部参考位置信息的条件下,利用双轴旋转惯导纬度误差对航向误差进行实时动态估计与补偿,实现了基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估。仿真结果验证了所提出的基于双轴旋转惯导的舰船航向误差动态评估方法有效性:通过对双轴旋转惯导航向误差进行估计与补偿,双轴旋转惯导航向误差最大值约为0.28',标准差约为0.0808',满足高精度舰船惯性导航系统航向精度的动态评估需求。     

车辆动力学模型辅助的惯性导航系统

为提高车辆导航系统的精确度和可靠性,提出一种车辆动力学模型辅助惯性导航系统的方法。建立车辆非线性动力学模型,利用四阶龙格库塔法实时解算速度信息。以惯导误差方程为状态方程,动力学模型与惯性导航解算的速度差为观测量,设计了容积卡尔曼滤波器,并用估计的状态误差对惯导进行校正。仿真结果表明,所提出的利用车辆动力学模型辅助惯导的方法能有效抑制惯导误差的发散,位置精度和速度精度比纯惯导系统提高了一个数量级,航向角精度提高了73%。     

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’’。     

考虑旋转调制 INS 轴角误差的船体变形测量方法

旋转调制式惯导已成为舰船主惯导,在采用旋转调制式惯导进行船体变形角测量时,由于旋转轴与惯性测量组件的坐标系不完全重合,导致船体变形角中被引入与旋转相关的波动误差。针对这一问题,提出了考虑旋转调制惯导转轴倾角误差的船体变形测量方法。推导了单轴旋转系统转轴倾角误差与船体变形测量之间的数学关系,构建了含有轴角误差的状态观测数学模型,利用卡尔曼滤波器实现了船体变形测量的同时对转轴倾角进行估计。实验结果表明,所提方法可以估计出旋转调制惯导中存在的转轴倾角大小,有效提高测得船体变形角精度,其中水平方向提升到6″,纵向方向提升到6″,为利用旋转调制式惯导进行船体变形测量提供参考。     

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。     

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。     

一种新的捷联惯导系统初始对准方法

提出了—种基于多天线GPS载波相位测量的捷联惯导系统静基座初始对准方法。给出了观测方程的详细推导过程，该观测方程中三个失准角均直接可观。最后给出了卡尔曼滤波仿真结果。结果表明，该方法极大地改善了捷联惯导系统静基座初始对准中方位失准角的估计收敛速度和精度。     

在飞航导弹中用星敏感器修正捷联惯导陀螺漂移

星敏感器是一种高精度的姿态测量装置。研究了星敏感器和陀螺的特点,对星敏感器工作原理和修正陀螺漂移技术进行了原理分析。在不利用外界提供的姿态和位置信息的情况下,采用卡尔曼滤波的信息融合算法,建立组合导航系统的状态方程和量测方程,利用星敏感器输出的载体相对于惯性空间的姿态信息来修正捷联惯导的陀螺漂移。设计飞航导弹的典型飞行轨迹,通过数学仿真,对上述算法的有效性进行了验证,结果表明星敏感器能够有效地补偿捷联惯导由于陀螺漂移带来的误差,明显提高了导航定位精度。     

基于导航误差的系统级标定方法中时间参数选取原则分析

介绍了捷联惯导系统基于导航参数的标定方法,给出了惯导系统绕三个轴翻滚过程中等效加速度计误差和等效陀螺误差与惯导系统速度误差变化率之间的关系,分析表明,只要精心设计转动顺序,通过观测不同位置、姿态下惯导系统的速度误差变化率,就可以分离出惯性器件各项误差。从实际工程应用出发,分析了标定过程中各位置之间的旋转时间、每个位置上的停止时间对速度误差变化率观测值的影响,在实际应用中,必须将这种不利于惯性器件误差参数估计的影响控制到最小。最后结合实际惯导系统的器件水平,给出了实际标定过程中相邻两位置间的旋转时间的选择范围,以及每个位置上停止时间的一种最优设计方法。     

基于双微机电惯性测量单元的船用自主水平姿态估计算法

针对船载自主水平姿态基准系统需求,提出了一种基于双微机电惯性测量单元的方案。其中一套固联船体,另一套为转位方式,以两套微机电惯性测量单元间相对速度、位置、姿态为观测约束,基于状态变换卡尔曼滤波实现不依靠外界辅助信息的自主式水平姿态测量算法,减弱了陀螺、加速度计零偏误差对水平姿态精度的影响。通过采用三轴角运动模拟转台进行了海况模拟实验验证。无舰船主惯导提供舰船运动信息情况下,虽然船的质心水平机动会影响水平姿态的绝对精度,但不会影响船上不同位置点之间的相对姿态测量精度;而当舰船上有高精度主惯导系统可提供速度参考时,即使有常值速度偏差和舒勒周期速度误差,仍可实现绝对姿态测量精度优于0.02°(1σ)。所提出的姿态测量方案可以在海况恶劣且无外界参考信息的情况下建立高性价比的全船统一姿态参考基准。     

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.     

基于波束域信息的SINS/DVL组合导航算法

针对水下环境影响导致DVL回波个数小于4,常规惯性/DVL组合导航无法进行,对DVL的回波信息利用不充分的问题,提出了一种基于波束域信息的SINS/DVL组合导航方法.直接将DVL测量的波束域信息与惯导系统速度转化得到的频移差值作为观测量,考虑惯导以及DVL的多项误差,建立基于频移观测量的卡尔曼滤波模型,实现对惯导系统...     

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。     

惯性导航系统的误差估计

惯性导航系统（INS）以其自主的工作能力广泛应用于军事武备的导航、制导与控制系统和国民经济的诸多领域。它的主要缺点是定位误差随其工作时间的增长而增大。对惯导系统的误差进行估计和补偿是在保证性能价格比的前提下，提高惯性导航系统精度的有效途径。目前，对惯导系统的误差修正均采用外信息（如GPS的输出信息）校正，即在INS工作的全部时间内，定期地利用GPS输出的速度和位置信息与INS输出的相应信息的差值作为观测量，对INS误差进行估计和补偿。Kalman滤波的方法广泛地应用于惯导系统的误差修正初始对准。本研究了当地水平惯导系统的误差估计和补偿问题。分析结果表明，采用Kalman滤波的方法，可以精确地估计惯导系统的误差（包括陀螺漂移和加速度计零偏），误差估计的精度高，并且估计的方差阵收敛快。     

基于格网系的双航海惯导定位信息融合

在双轴、单轴旋转调制激光陀螺航海惯导备份配置中,主惯导双轴旋转调制航海惯导故障情况下,针对备份系统单轴旋转调制航海惯导定位精度受方位陀螺常值漂移影响的问题,提出了双航海惯导定位信息融合方法。在格网系下设计了两套系统的联合误差状态Kalman滤波器,以系统间位置参数的差异为观测量,对惯性器件的确定性误差进行估计;建立了定位误差预测模型,对单轴旋转调制航海惯导的确定性定位误差进行预测补偿;通过滤波器、预测模型在地理系与格网系间的相互转换,实现了定位信息融合算法的全球适应性。最后通过仿真、实际系统实验进行了验证,结果表明:对单轴旋转调制航海惯导的定位误差预测补偿后,与补偿前相比其定位误差减小了30%,进而保证了主惯导双轴旋转调制航海惯导发生故障情况下系统的定位精度。     

捷联惯导系统多位置对准研究

利用把线性时变系统作为分段常系数系统来研究其可观性的方法,对多位置静态捷联惯导系统的误差方程进行了可观性分析,并采用卡尔曼滤波技术,对平台误差角及测量元件误差进行了估计,给出了两位置及三位置的方差仿真曲线。仿真结果表明三位置对准提高了方位误差角及垂直陀螺误差的可观度,从而加速了它们的收敛速度,提高了系统的对准、标定精度。     

基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法

为了实现多视场星敏感器的快速星图识别,针对球面多边形搜索星图识别算法面临单个星对角距匹配无法实现观测星与导航星一一对应造成计算量增加问题,提出了基于公共星检验的改进球面多边形搜索星图识别算法。使用三颗观测星形成的其中两个星对进行角距匹配,并基于两观测星对的公共星连接条件,实现了角距匹配中错误星对结果的剔除,以及匹配星对中观测星与导航星的一一对应,减少了算法计算量;同时,在验证匹配星对时另选三颗观测星之外的一颗观测星,间接实现了四星模式验证,提高了改进算法的识别率。仿真结果表明,改进算法的识别速度和识别率要明显高于原算法,且在星像位置误差为0.1⁰.5像素时,改进算法的平均识别时间约为原算法的1/10。