晃动基座行进间对准问题的QUEST算法

针对惯导系统晃动基座行进间初始对准问题,提出了一种基于重力矢量的QUEST(Quaternion Estimator)姿态最优估计算法。在传统基于重力矢量的初始对准方法基础上,将方向余弦矩阵的求解过程转换为Wahba问题,实现对重力矢量信息的充分利用,并通过QUEST算法实现了晃动基座下行进间粗对准的最优算法,改善了原有算法鲁棒性以及实时性等方面的问题。仿真和湖试实验验证表明,更改后的算法能够明显提高惯导系统在动基座下的姿态估计速度和精度,特别在周期性线振动环境下的对准精度能够提高一个数量级。多航次的湖试实验结果表明,改进后的算法能够有效提高航向对准精度,综合导航速度精度能够提高50%左右。     

捷联惯导晃动基座四元数估计对准算法

针对捷联惯导晃动基座下的初始对准问题,提出了一种基于四元数估计(QUEST)的抗干扰对准算法。将惯性系对准方法中,求取初始姿态阵的问题转化为基于观测矢量确定载体姿态的Wahba问题,利用四元数估计算法得到最小二乘意义下载体初始姿态的最优四元数解。阐述了四元数估计算法的基本原理,详细给出了基于四元数估计算法的捷联惯导晃动基座对准方案。进行了车载实验,实验结果表明:四元数估计对准算法姿态角误差的收敛速度优于双矢量定姿对准算法,同时可进一步提高对准精度。经120 s对准后,水平姿态误差在5″以内,航向误差在1.3′以内。     

基于四元数卡尔曼滤波的捷联惯导初始对准算法

针对晃动基座捷联惯导初始对准问题,研究了一种具有干扰抑制能力的初始对准算法。根据重力矢量在惯性空间投影构成一包含地球北向信息的旋转锥面的现象,利用坐标系惯性凝固假设将重力量测矢量和参考矢量分别投影到载体惯性坐标系和导航惯性坐标系,将晃动基座条件下的初始对准转化为基于重力量测矢量确定对准起始时刻的姿态问题。借鉴四元数线性伪量测方程的概念,利用重力投影矢量与初始姿态四元数的线性量测关系实现初始姿态四元数的直接滤波估计。初始姿态四元数在对准过程中为常值,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。利用转台模拟不同的摇摆对准环境,导航级惯导系统可在10 min内完成初始对准且方位误差小于3’。     

车载SINS行进间初始对准方法

针对车载捷联惯导系统,提出了一种行驶条件下的初始对准方法。通过实施两次技术性短时停车(共计30s),利用车辆启动前和行进途中停车状态下的重力矢量,确定初始时刻载体坐标系(定义为惯性坐标系)和中间时刻一个过渡坐标系的姿态关系;经姿态转换,实现车载捷联惯导系统行进间高精度自对准。16次车载实验结果表明:该方法的方位对准精度达到0.03°(1σ),水平精度优于0.005°(1σ);对准时间长短可变。该对准方法不需要外部速度观测,对准中间过程自由行驶,有利于提高载车机动能力。     

海洋重力辅助导航系统的系泊对准算法

捷联惯导系统在系泊条件下的初始对准是海洋重力辅助导航实用化的关键问题之一,本质上属于三轴姿态确定问题。基于惯性凝固假设,构建了船载捷联惯导系泊对准模型,研究了传统三轴姿态确定双矢量算法。对双矢量算法进行改进,提出了一种基于加权矢量和三轴姿态确定的系泊对准算法,该算法利用两个观测矢量的误差标准差构建加权系数,生成了精度更高的基准矢量,从而提高系泊对准的精度,并且该算法只需进行一次三轴姿态解算,保持了计算量小、耗时短的特点。数值仿真和船载试验结果表明,改进后的系泊对准算法在保证初始对准快速性的前提下有效提高了对准精度,两个水平姿态角误差小于4′,航向角误差在10′左右,满足海洋重力辅助导航系统的应用需求。     

GNSS辅助捷联惯导行进间对准自适应滤波方法

针对车载武器系统快速发射需求,提出一种基于GNSS辅助的捷联惯导行进间对准自适应滤波方法。该方法把行进间传递对准分为粗对准与精对准两个阶段。粗对准阶段以GNSS为观测基准完成对捷联惯导姿态的粗捕获,降低初始偏差不确定性对于精对准阶段的影响。在精对准阶段,考虑到车载系统的运动特性,提出一种"水平+方位"行进间对准双滤波器并行的设计思路,利用车载系统在不同时间段的动力学特性,对三轴姿态估计进行分时解耦,实现初始姿态的高精度估计;与此同时,引入协方差成形自适应调节过程,以最小化Frobenius范数为优化指标,实现对行进间对准卡尔曼滤波器的自适应调节,增强系统鲁棒性。数值仿真表明,协方差成形自适应卡尔曼滤波方法能够有效保证系统在全运动剖面内的稳定,结合双滤波器并行方案能够有效解决行进间对准精度不高与稳定性欠佳等问题,水平对准精度优于1.5′(1σ),方位对准精度优于6′(1σ)。     

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。     

星敏感器辅助的临近空间飞行器姿态匹配传递对准方法

为解决临近空间飞行器的精确、快速传递对准问题,提出了发射点惯性坐标系下基于星敏感器信息辅助的传递对准方案。根据星敏感器输出的不同形式的姿态信息,如利用TRIAD算法获得的姿态角信息或利用QUEST算法获得的姿态四元数信息,分别建立了基于平台失准角和基于加性四元数的非线性传递对准模型。针对非线性特性模型,采用UKF滤波算法进行了数学仿真。仿真结果表明,在2 s内,两种方案的姿态角误差均可以收敛到20"。仿真验证了两种算法的有效性,为临近空间飞行器的传递对准提供了参考。     

一种纬度未知条件下捷联惯导抗扰动自对准算法

针对地理纬度未知且包含有角晃动干扰、高低频线运动干扰等复杂环境下,捷联惯导系统难以实现快速、高精度对准的问题,提出了一种纬度未知条件下的抗扰动自对准算法。通过设置滑动窗口,根据惯性坐标系下两个不同时刻的重力加速度矢量的夹角求取纬度信息,该算法充分利用实时的惯性仪表数据实现对纬度的估计。通过将初始对准问题转化为姿态确定的问题消除角晃动干扰的影响,利用惯性坐标系下重力加速度矢量和晃动干扰加速度的频率特点,引入小波阈值消噪和多项式优化的算法抑制线运动干扰的影响,从而提高惯导系统抗扰动自对准精度。仿真和车载半物理实验结果表明,该算法具有纬度自估计、隔离角晃动和线运动干扰的能力。在导航级惯性仪表参数下,可将实时估计的纬度的误差限制在0.1°左右,抗干扰自对准的航向角误差接近惯性器件误差决定的极限精度。     

基于双矢量定姿的摇摆基座粗对准算法分析与实验

通过分析将捷联惯导解析粗对准归纳为双矢量定姿问题.根据定姿算法中参考矢量构造方式的区别将解析粗对准算法分为传统算法和摇摆基座算法.研究了传统算法参考矢量构建过程,指出其不适用于摇摆基座环境.在双矢量定姿框架下推导了基于惯性空间重力积分矢量的摇摆基座算法.并通过摇摆台试验验证了该算法的有效性.