机载惯性/天文组合导航技术综述

分析了惯性／天文组合导航的基本原理。针对航空机载应用平台,介绍了国内外天文导航设备和惯性／天文组合导航系统的研究现状,分析了我国在该领域的技术差距,探讨了未来机载惯性／天文组合导航技术的发展方向。     

机载惯性/天文组合导航研究

为了满足军用机载平台导航系统对自主性、抗干扰、长航时、高可靠性的要求,设计了一种机载／天文组合导航系统。该系统以激光捷联惯导系统为核心,辅以自主性高、可靠性高的天文导航系统。试验表明,采取一定的技术措施,定位精度有望达到500m,定向精度有望达到30″。     

天文/惯性组合导航模式研究

简要分析了惯性导航及天文导航系统的工作原理和特点，根据以自主惯性导航为主发展的组合导航系统的方向，提出天文/惯性组合导航系统不同的组合模式，重点探讨了直接校正陀螺漂移的天文/惯性导航新的组合模式并进行理论分析。     

捷联惯导/北斗高精度组合导航方法研究

提出采用紧组合方式进行捷联惯导/北斗组合导航设计,首先对捷联惯导与北斗系统进行误差分析与建模,将捷联惯导系统误差、北斗等效时钟误差相应的距离(伪距误差)以及等效时钟频率误差相应的距离率(伪距率误差)作为组合导航系统状态;利用捷联惯导位置输出与北斗接收机星历输出构造获得等效伪距,将其与北斗接收机测量的伪距对应相减作为量测,推导建立对应的量测方程,采用卡尔曼滤波设计捷联惯导/北斗组合导航滤波算法。仿真结果表明,该组合导航方法的速度精度达到±0.05m/s,位置精度达到±3.2m,水平姿态精度达到±0.4′,航向精度达到±1.6′。     

一种新的惯性／天文组合导航方法研究

针对传统的惯性／天文组合定位定向法不能有效修正惯性导航系统传感器误差所造成的导航误差，研究了一种新的惯性／天文组合导航方法。利用天文导航系统的量测，在初始对准后估计并补偿加速度计偏置误差，在组合导航过程中闭环修正陀螺漂移误差，进而提高组合导航的姿态、速度及定位精度。仿真结果表明了该方法的有效性，并通过与传统组合方法仿真结果的比较，证明了此方法的优越性。     

基于速度阻尼的天文／惯性组合导航技术研究

简要介绍了天文／惯性组合导航系统的基本原理,采用速度阻尼技术阻尼惯性导航系统的舒拉周期误差,为天文导航系统提供高精度的姿态信息,从而利用天文导航信息估计补偿惯性导航系统的陀螺漂移,同时,速度阻尼克服了天文导航不能估计补偿加速度计误差的缺点,使天文／惯性组合导航的各种误差得到补偿修正,解决了天文／惯性组合导航长航时导航条件下导航精度不高的问题;对研制的天文／惯性组合导航系统远洋航行的数据进行半物理仿真,仿真分析结果表明：基于速度阻尼的天文／惯性组合导航技术可以实现天文／惯性组合导航系统的长航时高精度组合导航。     

基于自适应滤波的天文惯性组合导航技术

以天文测星获取的Psai角为量测信息进行天文惯性组合导航时,Psai角由天文测星高度差经二阶矩计算而来,故Psai量测信息噪声统计特性不再服从高斯分布,对天文惯性组合导航效果产生消极影响。针对上述问题,提出基于自适应滤波的天文惯性组合导航技术,通过对量测噪声协方差矩阵采用自适应加权调整方法,降低噪声非高斯特性对组合导航误差抑制效果影响。基于天文惯性组合导航设备试验数据,对比Psai角量测噪声高斯近似和自适应处理两种方法下的组合导航位置误差抑制效果。试验表明：Psai角量测噪声自适应滤波处理比高斯近似具有更好的位置误差抑制效果。因此,应用基于自适应滤波的天文惯性组合导航技术对惯导误差估计有较好效果,有利于天文惯性组合导航技术的工程应用推广。     

天文/卫星组合点校捷联惯性导航系统算法研究

捷联式惯性导航系统通常采用卫星导航系统的位置、速度信息对惯导解算误差进行校正,但对于水下载体惯性导航系统而言,由于只能获得点位置信息,对惯导的校正精度以及校正参量有限。针对上述问题,提出了基于天文/卫星组合校正捷联式惯导技术,通过卫星精确定位信息和天文快速观测信息,全面修正惯导系统误差、提高导航精度。仿真结果表明,基于天文/卫星组合校正算法对惯导进行校正,相对于传统校正算法精度可提高约50%。     

自适应惯性／天文器件级组合导航算法研究

在惯性／天文组合导航系统中,天文设备输出信息中所包含的噪声易受外界环境影响而发生变化,使得惯性／天文器件级组合导航数据融合精度受到制约。针对这一问题提出了基于自适应滤波的惯性／天文器件级数据融合算法,该算法在对导航参数误差、惯性器件误差进行滤波估计的同时,对天文量测信息噪声方差阵进行实时推算,从而优化滤波器对天文量测信息的处理,提高导航精度。经仿真试验可知,使用自适应滤波算法进行数据融合,导航位置精度可提高30％,具有理论价值与工程意义。     

基于里程计的车载单轴激光惯导组合导航技术研究

里程计标度因数受载车负载、轮胎变形、气压、温度等外部条件影响,在与激光惯导组合时易使定位误差发散。为解决此问题,建立了高阶卡尔曼滤波器,通过实时估计里程计标度因子误差及其安装误差,并进行补偿,大幅度提高组合导航精度。利用现有设备,进行了跑车测试,路面包括市区道路、一般国道、高速公路、泥石路等各种复杂路面条件,与目前常用组合导航方法相比,技术指标大幅度提高,一般定位导航误差最大值在30m以内,可以较好满足载车对高精度导航的实时需求。     

基于捷联式光纤陀螺的工程结构三维形变测量方法

提出了利用捷联式光纤陀螺进行水下管道三维形变的测量方法,对这一方法的测量原理进行了详细阐述,并利用坐标转换、姿态矩阵求解、形变的计算等方法给出了详细的数学模型及算法。另外,针对惯性传感器和测量系统给出了减小误差的措施,以提高测量精度。     

旋转调制捷联惯导激光陀螺仪误差自补偿新方法

基于旋转调制的自补偿技术是进一步提高激光陀螺仪捷联惯导系统导航精度的有效方法。研究了旋转调制捷联惯导系统中的激光陀螺仪误差补偿方法。建立旋转式捷联惯导系统激光陀螺仪的误差传播方程,分析激光陀螺仪旋转误差效应及误差传播特性,在此基础上建立了调制策略编排目标函数;研究了双轴交替旋转调制模式下的调制策略编排方案,提出了一种改进的16次序双轴交替旋转调制方法,建立了基于双轴转动角速度的动态误差方程,实现了转动过程中激光陀螺仪的常值项误差、标度因数误差、安装误差的有效补偿,进一步抑制速度误差积累所引起的位置误差。仿真结果验证了该方法的有效性,提高了捷联惯导系统导航精度,可为旋转调制光学捷联惯导系统设计提供理论参考。     

基于激光多普勒测速仪的车载组合导航

 针对车载纯捷联惯性导航系统(SINS)导航精度随时间增长而降低的不足,提出了基于激光多普勒测速仪（LDV）这一新型速度传感器的组合导航方案。通过建立SINS/LDV组合导航系统的状态方程和量测方程,设计了系统的卡尔曼滤波器,并对组合导航系统进行了仿真模拟。结果表明：SINS/LDV组合方案能够有效减小SINS导航参数随时间的累积误差,可以实现全自主、高精度导航;当LDV测速精度为0.1%时,组合导航系统的位置精度提高了2个数量级,速度精度提高了1个数量级。     

基于激光多普勒测速仪的车载组合导航

针对车载纯捷联惯性导航系统(SINS)导航精度随时间增长而降低的不足,提出了基于激光多普勒测速仪（LDV）这一新型速度传感器的组合导航方案。通过建立SINS/LDV组合导航系统的状态方程和量测方程,设计了系统的卡尔曼滤波器,并对组合导航系统进行了仿真模拟。结果表明：SINS/LDV组合方案能够有效减小SINS导航参数随时间的累积误差,可以实现全自主、高精度导航;当LDV测速精度为0.1%时,组合导航系统的位置精度提高了2个数量级,速度精度提高了1个数量级。     

星光观测蒙气差补偿技术

为了消除大气内观星时蒙的影响,提高载体定姿精度,提出了一种蒙气差补偿算法。首先给出了补偿过程涉及的姿态转移矩阵,并完成了相关矢量坐标映射变换;接着在星敏感器坐标系内,用两矢量内积法求得视天顶距;最后利用几何公式列出了以真星光矢量投影点估计位置为未知量的方程组,作为星敏感器任意姿态下蒙气差补偿算法模型。在没有任何误差的条件下对模型有效性进行了仿真,10-6 pixel量级的位置估计精度表明了算法的有效性。加入不同量级的陀螺漂移误差进行了仿真,给定的漂移误差对于蒙气差补偿模型的估计精度影响甚微,仿真结果表明在捷联载体存在一定姿态误差的前提下,蒙气差补偿模型也是适用的,补偿后的星像坐标用以实现星光姿态确定,并进一步对陀螺漂移完成补偿。     

车载光学测速仪/惯性组合导航定位定向系统研究

车载定位定向技术是指车上导航系统在载车行驶过程中精确确定其所在位置的地理坐标、北向方位及姿态角,为陆基导弹等武器的机动发射提供参考基准。对惯性定位定向系统的各种误差(包括陀螺和加表的随机漂移)进行误差分析建模,将光学测速仪的速度作为观测量,利用卡尔曼滤波技术,估计补偿惯性定位定向系统的各种误差,包括位置、速度、姿态和航向以及惯性器件误差等,最终实现系统的高精度组合导航。对山区泥石路和高原泥石路跑车试验结果进行统计分析发现,组合导航精度在15m以内,满足炮兵车陆基导弹等武器机动发射的使用需求。     

船用星敏感器星点质心精确提取方法

从星空图像中提取星点质心是星敏感器工作的重要基础,针对船用星敏感器所获取的星空图像噪声情况复杂的特点,提出一种基于重心法的星点质心精确提取方法。通过块扫描的阈值分割和星象连续性的噪点剔除,引入灰度信息参考的星象提取以及重心法质心坐标计算等步骤,从星空图像中提取星点质心。对于30幅海上实拍星图实验,该方法能够100%提取出至少10颗星点,质心坐标提取精度达到1/20像素,并且可以实现对视频图像的实时处理,满足船用星敏感器的应用需求。     

适用于星敏感器的导航星表构造算法研究

导航星表的性能对于星敏感器姿态测量的实时性及精度至关重要。为了克服星等过滤算法的缺点,将支持向量机应用于导航星表的构造算法中。将基本星表中的恒星视为待分类的数据点,选取抽样视场中最亮的k颗星作为导航星,而非导航星的数量由抽样视场中恒星的密度决定。为了获得具有最大推广能力的抽样数据,采用了一种球面螺旋形算法生成抽样视场视轴指向,使用抽样数据构建最优导航星分类器,应用最优导航星分类器对基本星表中每一颗恒星进行分类判决。仿真结果表明,在满足8°×8°视场中至少出现3颗导航星的条件下,该算法生成的导航星表导航星总数约为星等过滤算法的33%,比传统支持向量机算法减少了7.8%,其标准差仅为星等过滤算法的21%,这表明本算法在导航星表容量及导航星分布均匀性方面大大优于星等过滤算法和传统支持向量机算法。     

基于地心地固系的极区惯性/卫星组合导航算法

针对“游移系组合+格网系或横向系输出”体制下极区惯性/卫星组合导航系统输出位置误差不断发散的问题,通过分析和验证横向系或格网系位置误差发散机理,推导地心地固系（Earth-Centered-Earth-Fixed System,ECEF）下的惯导编排方案和惯导误差方程,设计ECEF系惯性/卫星组合算法,解决格网系或横向系输出位置误差发散问题,为惯性/卫星组合体质下超长航时横向系或格网系输出全球导航打下基础。根据惯导和卫导数据,对比分析游移系惯性/卫星组合算法和ECEF系惯性/卫星组合算法,验证ECEF系惯性/卫星组合算法避免位置误差发散的有效性,结果表明ECEF系下组合方案可较好地避免极区导航输出信息转换引入的位置误差发散问题,实现极区高精度长时间组合导航。     

地理跟踪过程中光电吊仓惯性定位技术研究

探讨了地理跟踪过程中光电吊仓惯性定位的技术途径。在随机调转的光电稳瞄平台上增设加速度计，使之与陀螺组成惯性测量组件，同时向稳瞄系统和导航系统提供信号；光电稳瞄平台在运动中完成瞄准的同时，解算出平台的姿态矩阵；通过平台环架转动夹角的角度量，获得吊仓姿态矩阵，以此得出吊仓的加速度在导航坐标系上的分量，最终完成航迹推算。理论分析和验证试验表明：利用光电吊仓中的惯性组件可以获得光电吊仓的位置和姿态。