大失准角传递对准算法研究

经典Kalman滤波器不适用于大失准角情况下的传递对准,故只能采用非线性滤波器进行失准角的次优估计,其工程实现效果无法满足惯性姿态系统对姿态精度的要求。针对上述问题,提出了动态解析对准与传递对准相结合的大失准角传递对准算法,设计了"速度+角速度"匹配的传递对准滤波模型。该算法利用动态解析对准算法完成大失准角的初步补偿,解决传递对准非线性误差模型无法进行线性化的问题。基于Kalman滤波最优估计理论,设计FIR低通滤波器完成观测信息去噪滤波,实现姿态失准角的最优估计补偿,以达到惯性姿态系统大失准角条件下快速精确传递对准的目的。试验结果表明,在大失准角条件下,惯性姿态系统可在50s内完成方位精度为3′、水平姿态精度为1′的初始对准。     

基于回路对准的大失准角传递对准技术研究

提出了一种大失准角情况下的传递对准方法,该方法基于回路对准使子惯导的姿态振荡误差衰减到小角度后进行滤波传递对准,设计了速度加姿态匹配的传递对准滤波模型。与传统传递对准方法相比,该方法无需建立子惯导非线性误差模型,应用经典Kalman滤波即可快速地完成对准。仿真试验表明,在大失准角情况下,子惯导失准角用外部速度可以调平到30′以内,传递对准姿态误差最大为0.5′,方位误差为2′。     

捷联惯导系统中卡尔曼滤波的应用研究

为提高捷联惯导系统初始对准精度,提出将卡尔曼滤波技术应用于系统初始精对准,用以估计系统的失准角和惯性误差。对卡尔曼滤波技术在捷联惯导系统中的应用进行分析,建立捷联惯导系统初始对准误差模型和卡尔曼滤波量测方程。分析不同条件下不同滤波方法的滤波原理和滤波精度。在此基础上,提出一种将预测扩展卡尔曼滤波应用于逆向导航技术的思路,并进行了理论分析和捷联惯导系统自对准流程设计,为后续进一步深入开展惯导系统初始对准奠定基础。     

一种改进的速度加姿态匹配传递对准方法

为了提高传统速度加姿态匹配传递对准方法的快速性,设计了一种改进的传递对准方法,该方法提出在子惯导初始化之前利用主、子惯导陀螺和加速度计测量信息进行短时间的预对准,并设计了速度加姿态匹配的传递对准滤波模型。与传统传递对准方法相比,通过在预对准阶段直接计算主、子惯导之间的安装误差矩阵,子惯导进行初始装订时可以得到较小的初始姿态误差,从而使传递对准滤波器能够快速收敛,提高了对准的快速性和精确度。试验结果表明,通过预对准后对准滤波器在30s之内即可完成对准,姿态估计误差为1′,方位估计误差为1.5′,比传统传递对准方法具有更好的对准性能。     

高精度单轴旋转姿态测量系统研究

 采用90型二频机抖激光陀螺和石英挠性加速度计,利用单轴旋转惯性组件的方法,研制了高精度姿态测量系统。介绍了系统的硬件结构组成和无减震结构设计方案,给出了初始对准和姿态测量系统的算法。系统的初始对准采取粗对准和精对准两种方式, 姿态测量系统的误差传播特性由系统的误差模型来描述。对该系统进行了静态导航实验和长时间单轴旋转导航实验。实验结果表明：系统水平姿态24h保持精度优于30″,24h航向保持精度优于30″。     

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。     

基于简化模型与自适应滤波的车载SINS静基座快速对准

为了实现捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,SINS)快速初始对准,根据已有可观测性分析结果,通过理论分析和计算得到了扩展观测量时初始对准系统最优可观测状态量组合,在此基础上简化了对准模型,建立了新的系统方程。针对载车发动机启动或其他情况导致系统噪声无法精确统计,提出了运用基于强跟踪滤波原理的自适应卡尔曼滤波(Kalman Filter,KF)算法抑制滤波发散,加快收敛速度。仿真结果表明运用简化模型和自适应滤波在系统噪声不匹配时具有更快的收敛速度和更高的对准精度,车载实验结果也表明运用简化模型和自适应滤波可以实现快速对准。     

局部基准速度加角速度传递对准方法研究

提出了一种改进的速度加角速度传递对准的方法,该方法用主惯导输出的姿态角速度信息计算角速度,利用速度和角速度在导航系下的投影作为观测信息,直接估计子惯导姿态误差。仿真结果表明,在低海况情况下该方法比传统的速度加角速度匹配具有更好的估计效果。     

基于多级直线表述和M-估计的三维目标位姿跟踪优化算法

为了实现复杂环境下已知模型目标姿态的快速跟踪和估计,提出了一种结合三维(3D)粒子滤波跟踪和M-估计优化的位姿跟踪估计算法。基于直线的多级向量表示构造了新颖的模型直线和图像直线相似性度量函数;基于粒子滤波跟踪的姿态设计了模型直线和图像直线快速对应方法;利用M-估计实现了目标姿态的优化估计;利用重要性采样方法将优化姿态有效地融合到了粒子滤波框架。另外根据预测的目标位姿定义了图像动态感兴趣区域(ROI),极大地减少了特征检测和搜索的时间。实验表明,所提方法能够实现复杂环境下自由移动目标的快速跟踪和位姿的高精度解算,相比已有方法,所提方法在跟踪精度,计算效率以及稳健性上均有优势。     

Rapid transfer alignment of laser SINS using quaternion based angular measurement

A novel rapid transfer alignment algorithm for laser strapdown inertial navigation system (SINS) is studied. Transfer alignment have typically relied on velocity measurements from the master SINS as the source of alignment information, but lever arm error must be compensated accurately while velocity information is utilized, all most every quaternion based error model is nonlinear, so nonlinear filtering algorithms are need, suffering from computational complex and large error. Aim at these problems, a novel improved rapid transfer alignment algorithm formulation is presented, applying quaternion to built the process and measurement models, the improvement employs a special manipulation of the measurement equation results in a linear pseudo-measurement equation, thus the classical linear Kalman filter is employed to estimate the state, need not lever arm error compensation, results in the reduce of computational burden. Observability analysis of this new transfer alignment algorithm has been done based on the piece-wise constant system (PWCS) method, results show that the presented algorithm can accomplish the initial alignment task perfectly. A transfer alignment simulation system is also developed for the evaluation and analysis of the presented algorithm, simulation results are confirmed with the theoretical conclusion, which can achieve the transfer alignment accuracy about 1 mrad within 10 s.     

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。     

数字域时间延迟积分时间CMOS相机高分“凝视”成像设计分析

为实现凝视卫星高分跟踪成像,设计了数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器在凝视姿态下的成像匹配模型,推导了卫星凝视跟踪成像时相对轨道坐标系的姿态变化,采用坐标变换方法实时计算其在凝视过程中随姿态变化的行转移时间,利用蒙特卡罗方法统计计算了凝视模式下姿态指向精度和稳定度对成像的影响。利用数字域TDI CMOS原理样机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。结果表明,卫星的姿态控制精度在成像过程中会引起纵向的像移速度失配和横向匹配的残余像移,成像积分级数越高,图像信噪比越大。积分级数的增加对卫星姿态提出较高要求,仿真平台姿态角和姿态角速度控制精度分别优于0.05°,0.005°/s时,采用积分级数为48级能较好地满足成像质量要求。     

航空天文导航系统定位误差因素研究

研究了影响航空天文导航系统定位精度的四个因素,包括轴系制造装调与标校精度、导航星视位置精度、蒙气差修正精度和CCD光电测量精度。首先分别对这四个因素进行了理论分析,在论述轴系制造装调与标校精度的过程中,首次考虑了天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定问题,并提出了利用对角位移敏感的光学测量技术来完成天文导航设备与外部设备之间的坐标轴系标定,对工程实践具有指导意义。     

基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析

新一代粒子加速器中磁铁位置与姿态的准确测量和安装依赖于各项技术的综合运用。实现磁铁在全局坐标系中准确定位,并且快速精密安装测量,为了建造高亮度、低发射度的第四代同步辐射光源,国家同步辐射实验室开展了"合肥先进光源(HALF)"的预研工作。作为准直测量系统的重要研究内容,创新性地提出了准直参考网络方法。为了保证准直测量精度,对准直参考网络的机械系统本身的形变要求很高,通过ANSYS软件对机械系统整机进行了静力学仿真,根据分析结果对准直基准板进行了优化设计,使其满足工作条件要求。     

基于OpenCV的水下机器人单目定位技术研究与仿真

针对水下机器人自主回收对接时的定位问题,提出了一种基于OpenCV的单目定位技术研究与仿真方法。首先确定回收装置回收侧的光源标记点信息;借助OpenCV算法库,通过对水下机器人自带摄像机的标定,得出反应摄像机固有信息的内参数;通过摄像机对回收装置光源标记点的识别,得出光源标记点在图像上的像素坐标,结合其世界坐标,得出反映回收装置在摄像机坐标系下位置和姿态关系的平移和旋转向量,进而确定水下机器人在回收装置坐标系下的位置和姿态信息。最后运用CATIA软件对摄像机拍摄模型进行建模和仿真,结果表明,本文所提方法不仅能快速地获得水下机器人的位置和姿态信息,而且定位精度高,满足水下机器人在自主回收对接时的设计要求。     

捷联惯导系统现场标定方法

提出一种基于卡尔曼滤波技术的现场标定方法,给出了现场标定时系统的状态方程,分别推导了采用速度、速度加姿态为观测信息时的量测方程。利用奇异值可观测度分析方法比较不同机动状态,不同观测信息时陀螺漂移的可观测度,从而确定两种现场标定方案;通过仿真实验验证了该标定方案可以有效提高现场标定的精度。     

激光核聚变装置中基于像传递的激光自动准直技术研究

基于像传递的激光自动准直技术是提高准直准确度、增加稳定性的好方法。本文在理论上用两快速傅里叶变换（ＦＦＴ）分析了准直中基于像传递的近远场信号对图像处理影响。在光束近无场像面上引入十字叉丝并以“神光”装置的某一级空间滤波器为例,计算出光束直径一定时合适的十字叉丝尺寸;最后通过实验确定了基于像传递的自动直技术的具体实现系统。     

CCD接力测量船体变形研究

在舰船上,不少设备需要导航仪器提供姿态信息,船体变形会引起设备之间的姿态传递误差,导致设备效用降低。为了修正误差,获得精确的设备姿态测量结果,需要一套测量装置对船体变形进行测量。基于CCD的船体变形测量具有非接触性、精度高的优点。但当测量的两设备安装基座之间光路不能通视时,需要采用接力测量方法。阐述了CCD接力测量船体变形方法的原理和模型,并进行了模拟试验。试验结果表明,CCD接力测量船体变形方法可以高精度测量设备之间的相对姿态变化量。