基于横坐标系的捷联惯导系统极区导航方法

现有惯性导航系统机械编排在极区(特别是地理极点附近)不适用。针对该问题,提出了适用于捷联惯性导航系统极区使用的横坐标系导航方法。构建出横坐标系参考框架,推导出横坐标系和常规坐标系之间位置、速度和姿态信息的转换关系,建立了横坐标系捷联惯导系统的机械编排,并在此基础上分析其误差传播特性。仿真分析表明:横坐标系可以解决采用现有机械编排时,极区经线圈快速汇聚和地理极点附近无北向基准所引起的问题,从而满足极区导航要求;同时,仿真结果验证了横坐标系捷联惯导系统中位置和航向误差漂移的特性。     

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%。     

捷联惯导系统极区导航算法优化设计及误差特性分析

采用格网坐标系下的力学编排方案能够有效解决常规惯导系统力学编排方案在极区航向误差急剧发散且无法实现定位定向的难题。格网坐标系力学编排方案可以直接获得格网航向,以及地心地固坐标系下的位置坐标,且输出航向精度及定位精度不随纬度的增高而变差。通过深入研究格网坐标系力学编排方案的误差传播规律,详细分析了高纬度下格网航向保持高精度输出的数学机理。针对格网坐标系力学编排方案在极点附近存在计算奇异值的问题,提出了一种通过格网坐标系和地球坐标系间的位置方向余弦矩阵更新解算替代由地心地固位置坐标求解经纬度三角函数值的优化算法,实现了真正意义上的格网坐标系力学编排方案在极区的"无死角"导航能力。仿真分析了载体沿经线穿越极点运动时的算法性能,并与固定指北力学编排方案进行了比较,结果表明,相比于传统导航方案,格网系下输出的航向误差不随纬度升高而发散,导航精度与低纬度区域导航能力相当。     

基于协方差变换的INS/DVL全球组合导航算法

横坐标系下设计的惯性/多普勒测速仪(INS/DVL)组合导航滤波器可以满足无人潜航器(AUV)极区导航的需要,但在AUV进入、离开极区时导航坐标系的切换会引起滤波器结构变化,使系统的误差状态参数估计值产生震荡,影响导航精度。针对此问题,提出了基于协方差变换的INS/DVL全球组合导航算法,设计了横地理坐标系下的INS/DVL组合导航滤波器,并推导建立了地理坐标系与横地理坐标系下滤波器系统误差状态及其协方差矩阵的转换关系。AUV进入、离开极区过程中,导航坐标系切换时同时完成导航参数、滤波器参数的转换。通过船载实验与半实物仿真实验对所提算法的有效性进行了验证,结果表明：在导航坐标系切换过程中,协方差变换算法能够有效改善滤波器估计值不稳定问题,相比于无协方差变换,导航参数震荡误差减小50%以上,提高了组合导航系统稳定性。     

极区间接横向惯性导航方法

针对极区经线收敛引起的以真北向作为航向参考的导航算法失效问题,在横向惯性导航方法的基础上,提出了一种以游移方位坐标系为导航坐标系的间接横向惯性导航方法,以寻求全球导航时算法的内在统一性,保证平台惯导平稳切换时的流畅性。在横向地球椭球模型下,推导了横向游移坐标编排,建立了误差模型,并进行了仿真分析,并给出了间接横向导航方法下的全球导航流程。结果表明,导航坐标系相同情况下指北编排与间接横向编排极区性能不同的本质原因在于游移角误差的不同;间接横向惯性导航方法能够满足极区导航与穿越极点航行要求,航向角误差小于0.1'/h。     

机载武器极区传递对准算法

针对高纬度地区经线收敛导致以真北向作为航向参考的导航算法失效的问题,并结合战机在极区内具备正常导航和作战能力的需求,提出了基于格网导航力学编排的极区传递对准算法.首先以格林威治子午线作为航向参考,在此基础上定义了格网导航坐标系同时给出了格网导航力学编排及其误差方程,解决了极区内相对经线定向定位困难的问题.其次在格网导航坐标系下设计了主子惯导信息的“速度+姿态”匹配传递对准算法,估计和校正弹载子惯导的误差.仿真结果表明,该算法可避免载机进行费时的方位机动,仅需一次简单的摇翼机动就可令弹载惯导5 s 内方位对准精度达到5',为战机在极区内仍具有导弹攻击能力提供了工程应用参考.     

双轴旋转调制惯导系统的极区导航算法

针对采用固定指北坐标系的双轴惯性导航系统运行在高纬度地区时的导航算法失效问题,在横向惯性导航方法的基础上,以双轴旋转调制惯导系统为对象,提出了一种以游移方位坐标系为导航坐标系的惯性导航方法。首先分析了传统机械编排下的极区导航方法在极区工作的缺陷,进而建立了新的机械编排方法。在横向地球模型下,推导了基于横向游移坐标系的极区机械编排方法,并给出了该方法在全球范围进行导航的流程,从而能够保证双轴惯导系统在高低纬度地区工作的流畅性和平稳性。最后进行了仿真分析,并通过虚拟极区技术,利用实际跑车试验数据完成极区导航算法的半实物试验验证,其24小时导航精度与传统坐标系下的导航精度基本一致。试验和仿真结果表明,横向坐标系可以满足舰船航行穿越极点以及极区导航的需求。     

基于统一横向坐标系的极区地球椭球模型导航方法

针对现有横向坐标系惯导编排在极区导航应用中导航参数转换复杂、不同导航系统间信息交联困难等问题,提出了一种基于统一横向坐标系的极区地球椭球模型惯导编排方案,由传统地球坐标系绕y轴旋转-90°定义横向坐标系,实现横向地理坐标系和格林尼治格网坐标系的统一,解决参数转换与信息交联问题。在此基础上,推导了基于地球椭球模型的惯导编排方案,并解决了统一横向坐标系下横向经纬线不正交的问题。最后,通过中高纬度地区进行惯导实测数据解算与极区仿真试验,验证了坐标系在极区的正确性和适用性。极区仿真所得误差结果 48 h内各项误差符合惯性元件引起的系统误差发散规律,满足极区导航要求。     

极区飞行间接格网惯性导航算法

为克服极区经线收敛引起的惯导系统定位定向难题,同时为实现中低纬度地区和高纬度地区导航算法形式的统一,提出了以游移方位惯导编排为内核的极区间接格网导航算法。推导了游移坐标系和格网坐标系间的方向余弦矩阵,以此可间接获取格网航向和格网速度,同时用地心地固坐标替换经纬高定位参数,解决了极区的导航定位问题。仿真分析了两组特定飞行轨迹下的算法性能,并与直接格网惯导力学编排算法进行了比较,结果表明二者导航精度相当,可满足极区导航的需要。     

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%。     

重力扰动对极区下高精度惯导系统的影响分析及补偿

考虑载体极区航行下导航能力需求,研究了重力扰动对高精度惯导系统的影响和重力扰动补偿方法。首先,推导了重力扰动矢量在横地理坐标系投影;进一步,分别将水平重力扰动分量假设为确定性常值以及马尔科夫随机量,分析其对横坐标系捷联惯导系统的影响;在此基础上,基于EIGEN-6C4重力场球谐模型获取极区重力扰动数据,并利用三次样条插值法对其进行插值处理,从而对横坐标系下惯导系统进行重力扰动补偿。理论分析及仿真实验结果表明：在横坐标下,确定性常值水平重力扰动分量将导致惯导系统产生振荡性误差以及常值性偏差,随机水平重力扰动分量将导致系统位置误差呈线性振荡增长,且位置误差漂移率与重力扰动方差成正比,并且同时受载体航行速度及马尔科夫模型阶数影响,与常规坐标系下引起的误差一致。基于2190阶EIGEN-6C4重力场球谐模型对横坐标系捷联惯导系统进行重力扰动补偿后,水平姿态精度提高68%,定位精度提高2.5%。     

极区飞行法向量惯性导航算法原理

为克服经典力学编排方案在高纬度地区无法定位定向的问题,提出了以地球坐标系为导航坐标系的法向量惯性导航力学编排方案。该方案采用法向量代替传统的经纬度坐标表示水平位置,适合于全球范围内进行导航。推导了法向量导航误差方程,可用于组合导航算法设计,从而对惯导误差进行校正,满足全天候长航时的导航要求。通过仿真验证了法向量导航算法误差特性,证明了该方案可以满足飞机在极区飞行时的需要,解释了飞跃极点时导航定位误差跳变的原因。     

基于重构伪地球坐标系的捷联惯导初始对准算法

针对捷联惯性导航系统的方位误差对系统误差特别敏感,容易引起闭环卡尔曼滤波初始对准的发散,提出了一种基于重构伪地球坐标系惯导机械编排的初始对准算法。重构伪地球坐标系惯导编排方案在初始位置实现了线性运动误差和方位误差之间解耦,从而消除了导航坐标系旋转角速度误差对方位对准的影响。因此该算法可以减小由系统误差引起的方位对准估计振荡,从而降低了对准系统发散的可能性,进而提高对准系统的稳定性,并改善了捷联惯导初始对准的性能。另外,它不仅适用于常规纬度初始对准,也可以解决极区静态对准问题。最后,常规纬度和极区静态对准仿真证明了该算法具有优良性能。     

基于横向地球坐标的惯性导航方法

针对极区经线迅速收敛于极点造成的传统惯导机械编排在极区不适用问题,提出了CGCS2000地球椭球体模型下基于横向地球坐标的惯性导航方法。在构建横向坐标系及伪经纬网的基础上,给出了横向惯导与传统惯导间导航参数的转换关系,推导了横向地理坐标系机械编排,建立了系统误差模型,并以某型船舶为例,通过系统性能的静基座、动基座仿真分析,研究了基于横向地球坐标的惯性导航方法在极区的适用性。仿真分析表明,基于横向地球坐标的惯性导航方法可以克服传统惯导在极区存在的问题,在极点处不存在计算溢出,并可为载体穿越极点时提供高精度的姿态、位置信息,适用于极区。     

中低纬度评估极区导航时IMU数据转换误差模型

为解决在中低纬度地区定量评估惯性导航系统极区性能的问题,开展了惯导IMU极区模拟转换误差分析与建模.首先,基于地球球体模型横向坐标系下导航参数不变的轨迹模拟转移规则,给出惯导IMU模拟极区输出转换修正量模型;之后,对模拟试验测试参考基准的位置、航姿、速度等误差进行理论分析,并在此基础上,详细推导了测试参考基准误差对IM...     

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。     

基于虚拟圆球模型的横向极区导航方法（英文）

为减小传统横向极区导航中地球模型引起的主要误差,通常采用椭球地球模型以及复杂的横向转换。基于惯性导航计算中地球半径与速度密切相关的事实,提出利用"虚拟圆球"模型简化横向转换,通过速度补偿减小因模型简化而导致的原理性误差。在载体位置处以卯酉圈半径为半径,构造了一个"虚拟圆球",提出了基于"虚拟圆球"模型的极区横向导航算法。详细推导了采用"虚拟圆球"模型的改进横向极区导航的姿态、速度和位置微分方程。同时,采用扩张系数来补偿载体的速度。对基于圆球模型、椭球模型以及虚拟圆球模型的三种横向导航方法进行了比较。数值仿真结果表明,该方法简化了椭球模型方法的复杂编排,其导航精度优于传统圆球模型方法,与椭球模型方法一致。     

基于地速分解的高精度捷联惯性导航算法

传统的捷联惯性导航算法求解比力积分项采用了一阶近似方法,近似误差对高精度导航应用的影响是不可忽略的。为消除近似误差,提出了一种改进的捷联导航算法。在惯性坐标系中,将地速分解为比力地速与重力地速两部分,求出了能够完全补偿动态误差的比力积分变换项解析表达式,在此基础上得到了比力地速的精确解,并将其求解方法扩展应用于重力地速,在不改变传统导航算法实现框架的前提下,设计了高精度的捷联惯性导航算法。改进导航算法的精度与对偶四元数导航算法一致,而其实时性却与传统导航算法相当,获得了整体性能上的优势。     

基于局部连续场的重力匹配辅助导航

重力匹配辅助惯性导航是一种在惯性导航系统定位信息基础上利用地球重力场特征获取载体位置信息的组合导航技术。一般匹配辅助导航方法都是建立在格网化离散场的基础上,考虑到用局部连续场逼近离散散场的可行性,提出了利用连续场实现相关极值匹配算法,建立了基于局部连续场的相关极值匹配算法模型,采用随机初值迭代方式改进拟牛顿方法以实现在置信范围内全局寻优。最后在三组不同仿真条件下对该算法进行了仿真实验。从实验结果可以看出,在观测误差、初始定位误差较大的情况下,通过该算法获得的匹配航迹仍能以较高的精度跟踪真实航迹,从而验证了算法的有效性。     

一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法

针对在地心地固（ECEF）坐标系下基于右不变误差的卡尔曼滤波在GNSS/SINS组合导航中,因位置矢量数值较大导致系统线性误差运动学矩阵和观测矩阵不稳定进而降低滤波器性能的问题,提出一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法。首先在世界坐标系中构建导航状态和考虑地球自转的运动学方程。然后在世界坐标系下定义矩阵李群上的右不变误差,该误差在右群作用下保持不变,并重新推导和设计基于该误差的矩阵李群滤波算法,根据GNSS观测构建世界坐标系下的观测矩阵。实验结果表明,在低精度惯导场景中相对于ECEF坐标系下的传统扩展卡尔曼滤波,所提算法的北向、东向、地向位置误差均方根分别减小了82.6%、61.8%和10.6%,具有一定的实用价值。