基于虚拟圆球法向量的极区惯性导航算法

提出了一种基于虚拟圆球法向量位置表示的具有全球范围适用性的惯性导航算法。避免了横坐标系、格网坐标系极区导航算法中参考椭球模型下曲率半径近似计算带来的误差问题,且不需要在极区算法和非极区算法之间进行复杂的切换。与地球坐标系下惯性导航算法相比,由于高度通道和水平通道的导航解算分开,便于通过阻尼抑制高度通道的误差发散问题。分别建立了高度通道和水平通道的误差微分方程,对极区和非极区惯性导航进行了统一的更加精确的误差特性分析。基于实际航海导航试验数据的仿真结果表明,相比横坐标系、格网坐标系极区导航算法,提出的极区导航算法形式简洁易实现,精度略高,且具有全球适用性。     

法向量位置模型下旋转调制惯导极区综合校正算法

为抑制极区惯性导航系统随时间积累的导航误差,提出一种基于法向量位置模型的综合校正算法,对旋转调制惯导系统的等效方位陀螺常值漂移进行了估计。在法向量位置模型下建立了位置误差与漂移角之间的数学模型,推导了漂移角和等效方位陀螺常值漂移的方程,在外水平阻尼条件下设计实现了综合校正算法。基于北极实际航测数据的处理试验结果表明,提出的综合校正算法具有全球适用性,能够估计等效方位陀螺常值漂移以提高导航定位精度,采用所提综合校正算法后的归一化定位误差相比于阻尼后的结果大约减小53%。     

法向量位置模型下的水下长航时惯性导航阻尼算法

在法向量位置模型的惯性导航力学编排下,提出了一种适用于全球的阻尼算法,在出入极区时可保持阻尼过程的连续性,并且在水下长航时的背景下能够有效提高导航精度。根据法向量位置模型下的惯性导航误差微分方程,分别在垂直通道和水平通道中设计了阻尼网络,水平通道实现了基于法向量位置模型的三阶无静差阻尼算法。基于北极实际航行数据的仿真试验结果表明,提出的阻尼算法同时适用于极区与非极区,抑制了周期性振荡,定位的归一化误差最大值相比于无阻尼系统大约减小了47%。     

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.     

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

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。     

阻尼参数连续可调的惯导水平内阻尼方法

针对惯导系统传统阻尼方法存在的阻尼网络设计复杂、状态切换产生较大超调误差等主要问题,提出了一种基于变阻尼比例控制的惯导水平内阻尼方法,在无阻尼惯导东向、北向水平修正回路中增加一条前向比例环节通道,通过合理设计比例参数,利用提取的加速度信息进行惯导水平内阻尼,抑制惯导中舒拉振荡误差.相对于传统阻尼方法,该方法使得阻尼网络设计大为简化.该方法通过连续调整比例控制系数,可实现阻尼系数的连续线性修正,能有效抑制无阻尼状态向阻尼状态切换时超调误差.     

周期性阻尼信号对外全阻尼惯导系统位置误差影响研究(海流修正)

本文开拓性研究了外全阻尼惯导系统的阻尼理论问题,即当引入的阻尼信号为周期变化时对惯导系统误差影响的规律、特点,并进行了模拟仿真实验,给出了仿真误差曲线,进行了机理分析.问题的根本在于采用相对计程仪,把24小时、12小时周期变化海流引入了方位回路,使回路中产生了频率响应,尤其使之与地球回路的固有周期发生"共振",使位置误差出现振荡或者发散,几天后超差.如果采用绝对计程仪或海流修正,此问题可有效解决.     

基于互补滤波的惯导系统水平阻尼网络设计

Schuler振荡阻尼技术是提高惯导长期工作精度的关键技术之一。针对采用低阶阻尼网络的惯导系统抑制高频和低频参考速度误差难以兼顾的问题,基于互补滤波思想,提出一种高阶水平阻尼网络设计方法。将两个采用低阶网络、分别具有优良高频和低频特性的Schuler回路通过一对互补滤波器进行组合,形成双Schuler回路组合系统。它等效于采用某高阶网络的单Schuler回路,该回路对高频和低频参考速度误差的衰减率可同时达到40 dB/10 deg或更高。计算机仿真和海上试验结果均表明:采用所设计高阶网络的系统对参考速度误差兼有优良的高频和低频滤波特性,综合滤波性能优于采用低阶阻尼网络的系统,具有工程应用价值。     

捷联惯导系统最简多位置解析对准改进算法

最简多位置解析对准作为测量IMU偏置的简单方法,降低了传统多位置解析对准的工程复杂度,摆脱了伺服平台的限制,但是最简多位置解析对准目前使用的是几何方法,几何方法计算复杂,精度受先验信息的影响。针对这一问题,提出了最简多位置对准解析算法,通过解析算法可得到IMU偏置的解析解。通常两位置即可求得IMU偏置,特殊情况需要三位置,某些特殊位置可以计算特定轴向的偏置。解析法计算简单,不受先验信息的影响,并通过实例仿真证实该算法的有效性,计算误差主要由一阶近似误差和测量噪声引起。     

基于伪地球坐标系的捷联惯导全球动基座初始对准算法

由捷联惯导系统建模原因造成的导航误差随纬度升高会被急剧放大,是实现惯导系统全球初始对准所面临的主要问题之一,且现有多种编排方案共存的全球初始对准算法也不利于初始对准算法在全球范围内统一。另一方面,极地地区越来越小的地球自转水平分量,使得极点及其附近的静态自对准是无法实现的,且动基座初始对准也有利于提高导航系统的快速反应能力。基于此,提出了采用伪地球坐标系惯导编排来实现惯导系统的全球动基座初始对准,消除由惯导建模造成对全球初始对准性能的影响,并期望探索一种统一导航编排的全球初始对准算法。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

基于对偶法捷联惯导圆锥与划桨算法一般结果

首先,利用多项式拟合角速度和比力,得出任意子样数的陀螺角增量和加速度计速度增量的一般形式,进而经过一系列的数学形式的变换推导出了任意子样数圆锥效应补偿算法的通用形式;然后,介绍了对偶性原理.利用圆锥效应项与划桨效应项之间的对偶性,通过一个简单的数学方程便可得到任意子样数划桨效应补偿算法的一般形式.这两种补偿算法中的系数均可用计算机简单的计算获得,无需人工的繁琐推导.而且上述方法分析推导过程简洁明了.最后,根据对偶原理给出了划桨效应补偿算法三子样和四子样的精度仿真结果.     

基于Bagging模型的惯导系统误差抑制方法

由惯性导航系统(SINS)和卫星导航系统(GPS)构成的组合导航系统一直是陆用车辆的主要导航设备。当GPS失锁时,SINS的定位误差将随着时间不受控制的迅速增长。为了提高惯导系统的定位精度,相比较于单一的神经网络,集成学习算法中的Bagging模型能够深度学习惯导误差之间的内在关系,进一步提高导航性能。在智能算法和组合导航系统的框架下提出了惯导系统的误差抑制方案,即在GPS存在时训练组合导航系统数据,当GPS失锁时预测惯导系统位置增量。试验结果表明,该方案能够在GPS丢失时抑制惯导系统定位误差发散,相比较于BP算法,Bagging模型的定位精度在5 min时提高了约49%,15 min时提高了约41%。     

基于惯导及水下声学辅助系统的AUV容错导航技术

由于GPS和无线电信号在水下衰减很快而无法使用,因此以惯性导航为核心,加以其它声学辅助导航设备的组合导航系统正适合水下航行器的使用环境。以捷联惯性系统/超短基线/多普勒测速仪/磁航向仪组合导航系统为研究对象,给出了联邦滤波结构,并利用?2残差检测法诊断出子系统的故障并进行系统重构从而不影响系统性能,最后对组合系统进行了仿真,成功检测出了超短基线系统定位故障并及时进行了隔离。姿态误差和速度误差在故障发生和消失时刻由于系统重构有轻微跳动,其它时刻均保持较高精度,当故障消失时位置误差又恢复到正常量级（5~10 m）。仿真结果表明,所提出的 SINS/水下声学辅助设备组合导航系统能够提供水下航行器精确的速度、姿态及位置信息,并能够正确及时检测并隔离故障。     

基于捷联惯导的航空重力测量滤波算法

在航空重力测量中通常需要采用卡尔曼滤波来对比力测量误差进行估计。针对航空重力测量只需要进行事后处理的特点，提出了两种新方法来提高比力测量的精度：一是最优卡尔曼滤波平滑算法，该算法的估计值是前向／反向卡尔曼滤波器的估计值的最优组合；二是迭代算法，由于在滤波模型中通常不对重力异常进行建模，而模型误差的存在会降低滤波精度，迭代算法的基本思想是将重力异常估计值代入新的导航解算，以此降低重力异常对滤波估计精度的影响。仿真分析表明所提出的方法能有效提高比力测量的精度，同时表明滤波估计是有偏的，因此还需要采用网格平差等方法来消除系统误差。     

基于矩阵卡尔曼滤波的捷联惯导初始对准算法

针对捷联惯导系统大失准角晃动基座条件下的初始对准问题,提出了一种基于矩阵卡尔曼滤波的抗干扰自对准算法。该方法将传统大失准角非线性对准问题,简化为确定初始时刻姿态的线性矩阵卡尔曼滤波估计问题。借鉴惯性系REQUEST算法,将重力矢量在惯性系下的投影作为量测,利用K矩阵在对准过程中为常值特性,以其作为待估计的状态可避免系统模型误差和初始误差的影响,同时避免了传统方法对失准角大、小的假设,也不再区分粗、精对准过程,适用于任意姿态、无初值条件下的对准。在发动机振动及外界扰动条件下进行了四个方位的对准试验,试验表明,对于导航级惯导系统,算法可在5 min内完成初始对准且统计方位均方差小于3'(1σ),略优于传统算法。     

高精度惯导系统重力扰动的阻尼抑制方法

重力扰动已经成为高精度长航时惯导系统的主要误差源之一。针对船用高精度惯导系统的重力扰动抑制问题,从舰船INS误差模型出发,推导了重力扰动在惯导系统中的传播特性。仿真结果表明垂线偏差将引起系统较大的舒拉振荡误差。为抑制重力扰动对系统的影响,引入常速度误差反馈阻尼网络和相位超前串联阻尼网络。分析了重力扰动在水平阻尼网络中的传递特性,实现了相应滤波器的设计。在此基础上完成了实验验证,海上试验结果表明,所引入的两种阻尼网络都能够阻尼掉重力扰动引起的舒拉振荡型导航误差,其中,相位超前串联阻尼网络效果更优,抑制率达到70%以上。     

基于飞行仿真的捷联惯导算法测试平台

针对捷联惯导算法测试中真实飞行轨迹数据难以获得的问题,建立了一种基于飞行仿真的捷联惯导算法测试平台.首先构建了测试平台的系统结构,在建立六自由度非线性飞机数学模型基础上,采用Stateflow实现了预定航迹多模态的飞行仿真,并通过坐标变换将飞行参数转换为测试基准轨迹数据;然后根据捷联惯导系统原理,由测试基准轨迹参数推导出陀螺仪和加速度计的理想输出,并对其误差进行建模,由此获得惯性组件的模拟输出数据;最后通过两种不同的姿态更新算法进行惯导解算并比较.仿真实验结果表明:产生的测试基准数据符合飞行力学的特点,很好地反映了飞机的动态特性,可以有效地评估不同捷联惯导算法的性能.     

基于速度阻尼的双轴旋转式激光陀螺捷联惯导标定方法

惯性元件参数的长期稳定决定着惯导系统的精度,目前对于激光陀螺捷联惯导系统(RLG-SINS)主要是采用系统级旋转调制技术来实现高精度导航能力,同时系统级旋转也提高了初始对准精度以及惯性元件误差的可观测性。针对激光陀螺惯导系统惯性元件误差项的特点,同时结合分立式标定与系统级标定各自的优势,设计了一种水平阻尼模式下的Kalman滤波方案,利用双轴旋转机构,通过观测导航位置误差来实现初始对准以及部分惯性元件误差参数的标定,可以有效地减小惯性元件逐次启动误差对导航精度的影响。仿真结果表明,系泊状态零速度阻尼模式下工作4 h,可以标定出石英加速度计标度因数误差、零偏与激光陀螺零偏,共计9项误差参数。加速度计零偏估计误差小于2%,陀螺零偏估计误差小于8%,误差估计精度满足高精度惯性导航要求,该方法具备一定的工程实用性。